高功率因数反激式开关电源变压器的设计

第44卷第2期 2010年2月 电力电子技术 4， 010 高功率因数反激式开关电源变压器的设计 李振森，徐军明，丁红斌，武利珍 (杭州电子科技大学，江苏杭州I 310037) 摘要：变压器的设计是开关电源中关键的步骤。对带有高功率因数(激式开关电源的变压器原理进行了论述， 在探讨变压器的设计原理基础上，提出一种良好的设计方法，并通过实验证明了设计原理。所设计的变压器具有效 率高、电磁干扰低、漏感低、温升低的特点。 关键词：反激式开关电源；功率因数；变压器设计 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000100X(2010)02I U U Li10037，of is he of F)is on a is by he MI，o60671024) 1 引 言 由于中小功率开关电源、便携式、离线式充电器具有很好的市场前景，因此高功率 因数(激式拓扑成为目前研究与应用的热点。 它结构简单、本低、容易得到多路输出，是 低成本大功率于两级 关 于高l】 为了设计 出高效率、低温升的变压器，文中给出一种 设计方法，并根据该方法设计了一种宽电压范围 (64 V)、输出15 V2 2高器件。它不是真正意义上的变压器而是一个能量 存储装置。在变压器的初级绕组导通期间能量存储 在磁芯的气隙中关断期间存储的能量被传送给次 级输出，具体过程如图1所示。初、次级电流不是同 时流动的因此该变压器更多地被认为是一个带有 次级绕组的电感，但与电感的不同之处在于：电感电 流是平滑波动的，可视为直流。变压器每个绕组的电 流都是三角波，由于工作范围较宽，因此变压器要工 作在临界模式肤效应会产生很大的交流电阻损 耗，通常不会影响铁损，但变压器比电感的铜损大。 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60671024) 定稿日期：20090828 作者简介：李振森(1983-)，男，河南项城人，硕士研究生，研究 方向为新型电子器件与应用、高 级结构上为同时实现致初、次级电压电流变化 更大，如图2所示。高源是实用和经济的但当电源大于70于 着重降低电源的电压和电流，器件要承受更大的电 压、电流应力，因此采用其他拓扑会更有效。 l CC l l D 开关 电平 图1高2变压器初、次级电流波形图 3变压器的设计 变压器的设计是一个复杂的过程。若设计合理 电源效率会较高，且控制环路容易稳定。该设计步骤 主要包括：选择磁芯材料、几何形状；确定最大的磁 通密度；确定磁芯型号：确定初、次级线圈的匝数比 和铜线的规格。要得到理想的电感，还需要计算气 隙；最大限度的磁耦合和最小的高频寄生效应。另 外，还需考虑变压器的装配和安全要求。 提前设定的规格参数：电源电压范围 ；市电工频 ；电源输出电压大输出电流 83 第44卷第2期 2010年2月 电力电子技术 4 010 ，硼 ；2f,最大输出纹波 。预设计参数：最低工频率 ；反射电压感过压期效率 。 31初步计算的参数 最小峰值电压与反射电压的比值为： 虹： (1) 两个特殊函数为： j I ( 初、次级电流峰值分别为： ， =丽2o(3) 丽 一瓦丽 ， 初、次级匝数比和最大占空比： n ，I IR (4) 初、次级电流有效值： ，I = 3， ( )3 (5) 32参数的确定 高算，当开关频率厶取最小值时，最大初级电感为： 煮 (6) 确定磁芯需要的前提条件：设定磁芯材料是 典型的功率铁氧体和磁通超过035T： 绕组与窗，要留足隔离层的空间， 爬电距离、余隙；初级绕组和次级的导线要与流过 的平均有效电流成比例；在无散热器的情况下。磁 损和铜损会导致温度上升30 由于频率是变化 的，因此忽略集肤效应和近邻效应。 变压器磁芯的窗算公式为： A t=【 (1+4 60)P、 (7) A 80 【 ( + ( 血】 (8) 式中：A(K )，A(K )为与磁滞损耗和涡流损耗相关的函数31。 设计时取较大值，一般A 。较大，所以所选磁 芯的 l。 初、次级匝数分别为： ， 等 (9) 式中：A 为磁芯截面积； 一为最大的磁通密度。 辅助绕组为： A： (10) 式中： 为压降；通压降。 考虑边沿磁通和磁芯磁阻，则变压器的气隙 长度为： ： 塑 一L 。 A L 式中：A 无气隙时电感系数，A L=。 导线流过的电流密度-，通常4 8 A照 s=J70 W，电流较小，初级采用单股漆包线，绕线方 便，绕组紧凑。次级由于电流峰值较大和集肤效应， 虚采用多股线。导线载流能力和集肤深度的具体计 算见参考文献4，可以先求得所需的导线的直径d ， 确定多股线每股的线径d：，再按照凡 2d ，依据n 选择多股线。 4变压器的制作设计 变压器的设计包括绝缘、安全、低噪声设计。变 压器采用边沿空隙法使其安全要求、漏电和电气强 度满足求56 此在 边沿应用中初、次级间通常留有253 磁芯的选择规则是：可利用的绕组宽度，至少是 所需爬电距离的2倍以维持良好的耦合并使漏感减 到最小，初级绕组是变压器绕组结构中第一个绕组。 这样就可以通过其他绕组使最大电压摆动点得到保 护，进而使能耦合到印制板上其他元件的电磁干扰最 小。若初级绕组多于一层，在两层之间应放置一个基 本的绝缘层。可以减少两层之间可能出现的击穿现 象，也能减小两层之间电容。另一绝缘层放在初级绕 组上面，辅助绕组在此绝缘层之上。在辅助绕组上放 置3层聚酯绝缘胶带以满足初、次绕组的绝缘要求。 辅助绕组上放置另一边沿空隙，次级绕组在其之间， 所以在初、次绕组间就有6电压绝缘 最后在次级绕组上缠3层聚酯绝缘胶带 (最高耐压3 以紧固次级和保证绝缘。 变压器的绕组首尾都有壁厚041 ；还要使用浸漆锁定绕组和磁空间，从而防止噪 声、湿气、盐雾进入变压器，有助于提高耐压能力和 热传导性能，降低变压器的噪声：采用可以减少绕组 间电容的变压器的结构对初级绕组的漏感有很大的影 响。漏感会导致 压器绕组的项部互相之间应同轴，以便使耦合最强， 减小漏感。将初级绕组分开绕制也可减小漏感，分开 的初级绕组是最里面第一层绕组，第二层绕在外边。 5设计实例及结果分析 该设计基于16561及30 ，2 A 体条 件、参数和设计结果表1所示。该表格根据上述步骤 进行建立，可以方便计算并根据实际情况调整改动， 实际制作的变压器与计算值略有不同。 高功率因数反激式开关电源变压器的设计 表1变压器设计参数及初步设计结果 参数u 厂、，u 、， 叼 (K ) (K ) A 数值 100 70 851204 3 0343 0254 2307 6 参数I n u Jl lj 0675 26 (K ) 379 27 匝 数值93736 035 05 21 1455 参数值042 dlmm V O42 5 在宽电压输入、尺。 75出电压有效值约 15V，如图3所示。输出电流2A，输出纹波电压u l V，变压器无啸叫，横流效果在3左右，纹波合理。 在添加两级共模家标准。说明变压器测变压器的漏 感约为初级电感的5并且可继续降低说明变压 器漏感低。电源在88264率为 82 85，与理论值符合较好。通过提高输出电压， 降低输出电流，优化电路结构效率可达88。 一 一 一 =、一 、一 l t(10 1 图3电源的输出电压波形 6结论 高功率因数反激式变压器的设计是个反复的过 程需理解变压器的工作原理及各参数间的关系。变 压器的设计要提前设定合理的电源参数。由此可计 算出变压器的参数，选择合适的磁芯材料和形状。若 计算的参数未在设计的范围内，要重复计算；若设计 结果效果不理想，需调整设计参数。设计要兼顾温 升、电磁干扰、体积等，其制作工艺与设计同样重要。 参考文献 【l】on 6561，2003，B stl：562】靳文汇，范蟠果，闫少雄一种反激式开关电源变压器改 进设计方法研究J电力电子技术，2009，43(1)：6263 3】刘风君现代高频开关电源技术及应用北京：电子工 业出版社2008 【4】关电源设计与优化【M】王志强，译北 京：电子工业出版社。2006 5】00106，B715440(上接第57页)用硅钢电感率范围内噪声轻微。温升情 况良好，传导干扰性能指标满意，使用高感值升压电 感有利于温升设计入交流电压220 V、输入电流 有效值3323A、电网频率50i 与 的波形如 图4入交流电压220V、输入电流有效值 3345A、电网频率60i 与i 波形如图4“J 一 I 一 I f 7 1 _ 图4输入电流有效值和电网频率不同时 ； 和i 的波形 5 结 论 随着电子、电气产品向开关化、高频化与集成化 趋势的发展对性能和低 成本已成为出了关于控制技术，它无需进行输入电压的检测，且具有体 积较小、损耗低、效率高、校正效果良好、输出电压纹 波小、设计简单、便于数字实现，同时仍然保持高功 率