一种新的反激变压器设计方法

一种新的反激变压器设计方法

1反激变压器换器设计难点随着能源电子技术的快速发展，开关压压电源广泛应用于计算机、通信、工业加工、航空、船舶、航空等领域。他具有电能装换效率高、体积小、重量轻等优点。反激式变换器以其电路简单、高效、成本低廉等优点,特别适合设计小功率的开关电源以及各种电源适配器。但是在反激变换器设计中存在许多的难点,特别是设计中需要仔细计算和考虑变压器的磁芯型号、初级电感值大小、气隙大小、匝数以及各个耦合绕组的绕法。反激变压器可以工作在连续电流(CCM)与断续电流(DCM)模式下,这两种模式下有不同的设计公式,这给变压器的设计带来了一定的难度。本文统一了两种模式下的变压器设计公式,详细介绍了反激变压器设计的一般方法与步骤,并给出设计实例。2过电极时能量传递模式反激式开关电源的变压器实质上是一个耦合电感,他承担着储能、变压、传递能量等工作。基于TOPSwitch的反激式电源电路如图1所示,T1为反激式变压器。当TOPSwitch导通时,变压器的初级有电流流过,在次级产生感应电压,由于初级与次级同名端相反,次级整流二极管截止,没有电流流过二极管,能量储存在初级线圈中,负载由电容C1供电,此时变压器T1相当于一个电感。当TOPSwitch截止时,初级磁通减少,初级电压反向,次级整流二极管导通,存储在变压器中的能量传递给负载,同时给C1充电。此时T1相当于一个普通的变压器,起到能量的传递作用。根据初级电流是否减少到零,反激变压器一般工作在二种工作模式下:(1)连续电流模式(CCM),这种模式下,在TOPSwitch导通周期存储在变压器中的能量在TOPSwitch截止周期没有完全转移到输出端;(2)断续电流模式(DCM),这种模式下,在TOPSwitch导通周期存储在变压器中的能量在TOPSwitch截止周期完全转移到输出端。两种模式下的初级电流波形如图2所示。CCM与DCM在小信号传递函数方面是极不相同的,在设计变压器时通常采用两套不同的公式。引入脉冲电流(IR)与峰值电流(IP)的比例系数(KRP),使得两种模式下的变压器设计统一于一套公式,简化了设计步骤。3变压器盐芯参数的确定由于引入了KRP,不管是连续电流模式还是断续电流模式,反激式变压器的设计都可以遵循以下的步骤:(1)已知参数的确定这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定,包括:直流输入电压范围Uimin∶Uimax、输出电压Uo、输出功率Po、工作效率η、开关频率f、开关管导通压降UDS。(2)确定最大占空比(Dmax)或者反激电压(VOR)之一UDS开关管压降:在反激变压器中,次级反射电压即反激电压(VOR)与输入电压之和不能高于主开关管的耐压,同时还要留有一定的裕量。对于TOPSwitch器件VOR一般取80V~135V,太小效率会降低,太大场效应管有击穿的可能。确定了VOR即可确定最大占空比Dmax。根据VOR计算得到的Dmax一定不要超过器件所允许的最大占空比。通常的做法是根据器件的占空比确定Dmax然后求得VOR。(3)确定初级脉动电流IR与峰值电流IP的比值KRP,如图2所示在电流连续模式下KRP<1,KRP越大直流分量越大。在电流断续模式下KRP=1,IR=IP。根据经验对于宽电压输入范围:KRP取0.41∶1;对于窄电压输入范围:KRP取0.6∶1。(4)确定初级电流平均值(IAVG)、峰值(IP)、有效值(IRMS)初级电流IP可由IAVG推导出来,根据IAVG的定义可知,如图3所示。由面积法计算积分得:从而得到:(5)确定初级导线直径(J电流密度取4×10A/mm2)(6)确定初次级匝数比式中:Dmax———最大占空比;Uimin———最小直流输入电压(V);UDS———开关管导通压降(V);UF1———次级整流二极管压降(V)。(7)确定次级电流峰值ISP、有效值ISRMS(8)确定次级导线直径(9)确定变压器初级电感(10)选择磁芯开关电源变压器磁芯多是低磁场下使用的软磁材料,他有较高磁导率、低的矫顽力、高的电阻率。磁导率高,在一定线圈匝数时,通过不大的励磁电流就能有较高的磁感应强度,线圈就能承受较高的外加电压。因此在输出一定功率要求下,可减少磁芯体积。磁芯矫顽力低,磁滞回环面积小,则铁损耗也小。磁芯有高的电阻率,则涡流小,铁耗小。金属软磁材料在开关电源中用得较少,只有铁-镍合金、铁-铝合金薄片的磁芯基本合适。软磁铁氧体是经过复合氧化物烧结而成的一种软磁材料,他的电阻率很高,适合在高频下使用,普遍使用在开关电源中。在设计中要综合考虑所设计电源的功率、频率、拓扑结构选择合适的磁芯。磁芯材料定了以后可以按照面积乘积法(AP)初选磁芯型号。式中:LP———初级电感(mH);IP———初级峰值电流(A);Bw———磁芯工作磁感应强度(T);Ko———窗口有效使用系数一般为0.2~0.4;J———电流密度一般取(4:10A/mm2)根据求得的AP值选择合适的磁芯,一般尽量选择窗口长宽比较大的磁芯,这样磁芯的窗口使用系数较高,同时可以减少漏感。(11)确定初级、次级匝数NS、NP式中:Ae———磁芯截面积(mm2);f———工作频率(kHz);ΔBm———交流磁通密度(T);UF———整流二极管压降。(12)反馈绕组NFUF2———反馈绕组整流二极管压降(V)。(13)确定气隙宽度lg为了避免磁饱和,应该在磁回路中加入一个适当的气隙lg,计算公式如下:到此为止反激变压器的主要参数全部设计完成,其他参数如铜损、铁损、温升可参照其他资料提供的公式进行计算。4变压器电路参数设计一单端反激变压器其主要参数如下:输入AC85V~265V50Hz输出DC90V0.5A开关频率f=100K效率η=0.70电路如图1所示,选择Dmax=0.48、KRP=0.4,交流输入电压经过全桥整流,电容滤波后的输入直流电压为DC120V~380V。根据前面的公式及计算步骤得到变压器的参数如表1。图4是90V工作电压的输出波形,图中选用衰减了10倍的探头,输出电压的平均值为91.8V。图5是工作电压的