大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究

1、 江苏电器 (2008 No.5) 作者简介：卢怡(1982- )，女，硕士研究生，主要研究方向为低压电器测试技术、计算机控制。 0 引言 近年来，随着高频脉冲技术、软开关变换技术 的发展和高性能的大功率半导体 MOSFET、绝缘栅 双极晶体管 IGBT 等电力电子器件的应用，给大功 率高频开关稳压电源的发展提供了有利的条件。而 开关电源变压器既是高频开关稳压电源实现功率转 换和传输的核心部件， 又是开关电源的主要发热源。 同时，大功率高频开关电源变压器在设计上，所涉 及的主要变量均是非线性变量，特别是磁性材料， 其工作状态和变化难以用计算式或电路物理方程式 预先准确表达和定位；而在实践上，对

2、于大功率高 芯材料选择、电磁参数设计及绕制工艺。测试结果表明，试验变压器的主要参数均接近进口样机，空 载、满载时输出波形正常，运行状况良好，可以确定采用国产LP3材料的PM87磁芯是正确的，同时，设计 的绕组参数合理，绕制工艺也切实可行。 大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究 介绍了3kW、60kHz软开关电源变压器的主要特点，给出了3kW全桥软开关电源变压器的磁 变压器；全桥软开关电源；大功率 卢怡1，陶良华2，顾惠祥2，卢达1，3 (1 常熟理工学院，江苏 常熟 215500； 2 常熟纺织机械厂有限公司，江苏 常熟 215500； 3 江苏省纺织机械工程研究中心，江苏 常熟 21550

3、0) Abstract: Introduction was made to the main features of kW, 0 kHz soft switching power supply transformer, giving out kW full bridge soft switching power supply transformer magnetic core material selection, magnetic parameter design and winding technology. Test results show that the main paramete

4、rs of the tested transformer are near that of imported sample machine, the output waves are nor- mal at idling and fully loaded, good in operation conditions. It is certain to say that to adopt LP3 material made in China for PM87 mag- netic core is correct, and in the meantime windings parameters is

5、 reasonable in design and winding technology is practically feasible. Key words: transformer; full bridge soft switching power supply; high-power LU Yi, TAO Liang-hua2, GU Hui-xiang2, LU Da, （ Changshu Institute of Technology, Changshu 25500, China; 2 Changshu Textile Machinery Works Group Co.,Ltd,

6、Changshu 25500, China; Jiangsu Textile Machinery Engineering Research Center, Changshu 25500, China） Design and Study on High-Power Full Bridge Soft Switching Power Supply Transformer 中图分类号：TM402 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2008)05-0017-05 摘 要： 关键词： 频开关电源变压器如何减少漏电感，一直是困扰大 家的问题，对此虽有一些文章分析了原因，介绍改 进的方法，但对于不

7、同功率、不同结构、不同磁芯 材料、不同变压比的变压器没有统一的模式 1-2。 为探索大功率开关电源变压器技术，选用国产磁芯 材料，设计了 3kW、65kHz 软开关移相控制全桥变 换器中的开关电源变压器，取得较满意的效果。 1 大功率双极性全桥软开关电源变压器的 主要特点 移相全桥功率变换器的简化电路如图 1 所示。 图中高电压开关管 S1、S2、S3、S4组成全桥结构的 大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究 8 江苏电器 (2008 No.5) 换时，瞬时引起的电压尖峰可能造成功率开关管和 整流器的损坏。因此，在开关电源电路设计时对漏 感和分布电容提出限定值的同时，在变压器设计和 绕制工艺

8、上要考虑和采取有效措施限制有关分布参 数3。 2 3kW双极性全桥软开关电源变压器的设计 2.1 开关频率和最大占空比的确定 开关频率对电源的体积以及特性影响很大，必 须综合考虑。升高频率是开关电源发展的总趋势， 但是，频率升高，开关电源的损耗和噪声增大，这 对电源散热结构、开关器件性能和变压器的设计提 出更高的要求。而且，频率升高，电磁干扰的高频 分量增多，将增大对周围的电子设备的影响，综合 上述情况，再结合目前国产高频开关变压器磁芯的 水平，设计选用开关频率为 65kHz。 最大占空比是设计变压器及外围电路时的重要 参数，它对主开关元件和输出二极管的耐压、输出 保持时间、变压器和输出滤波器

9、的体积及变换效率 等都有很大影响。例如，最大占空比选的窄，高 频谐波分量增多，使得开关损耗增大，电源效率降 低。为此，最大占空比选为0.9。 2.2 磁芯材料和磁芯结构形状的选取 正确选择磁芯材料是设计高频开关电源变压器 成功的第一步。考虑所设计试验变压器的工作频率 和功率、功率变换器电路及试验成本，适合使用软 磁铁氧体材料作变压器磁芯，而我国功率软磁铁氧 体生产水平已接近世界先进水平，如LP3材料在性 能上相当于德国西门子的N67，决定采用南京新康 达磁业有限公司生产的LP3牌号的软磁铁氧体。 磁芯结构形状的选取在考虑开关电源变压器的 电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等的同 时，还应考

10、虑以下因素：(1)漏磁要小，以便获得 小的绕组漏感；(2)便于绕制，引出线及整个变压 器安装方便，以有利于批量生产和维护；(3)有利 于散热。 分析国产铁氧体磁芯 GU、EE、EC、EP、PM、 RM、PQ 等各种型号及最近发展的 EFD、EPC、LP 型 等平面磁芯的结构，决定选用 PM87 型磁芯。PM 型 是罐型和 E 型磁芯的折中，比罐型有更大的出线窗 口和好的散热条件，可传输更大的功率，磁屏蔽效 四个臂，高频开关电源变压器 T1接在它们正中间， 相对于桥臂上的一对开关管 S1和 S4与另一对开关 管 S2和 S3分别由驱动控制电路以脉宽调制 (PWM) 方式激励而交替地导通与断开，将

11、直流输入电压 变换成高频方波交流电压，传递到 T1的副边绕组， 得到交替通断的方波输出电压，再经整流和滤波， 输出所需的直流电压。由于高频变压器 T1的电感 性及存在的漏电感和功率开关管较大的输入电容对 脉冲电压上升沿、下降沿的延迟作用，其工作过程 中还会出现谐振过程， 使桥臂难以实现零电压开关， 为此，在 T1原边绕组串联附加谐振电感Lr，在滞 后桥臂并联辅助谐振网络La、Ca1、Ca2、Da1、Da2以 实现全桥变换器的零电压开关，并能降低附加谐振 电感量，减少变压器副边绕组电压占空比的丢失。 开关电源变压器是开关型功率变换器中的核 心部件，其作用有：功率转换、电压变换和绝缘隔 离。双极全

12、桥软开关电源变压器由方波激励，磁性 材料工作在整个磁滞回线区间，变压器效率较单极 性开关变压器高出一倍以上。因工作频率很高，因 此，它的体积和重量比工频变压器的小。但其性能 的好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率等，而 且还会影响开关电源的技术性能和可靠性。所以在 设计制作时，对磁芯材料的选择、磁芯与线圈的结 构等要有周密考虑。 开关电源变压器工作于高频状态，漏感、分布 电容和电流在导体中流动的趋肤效应等分布参数的 影响不能忽视。例如，漏感阻止开关和整流器电流 的瞬时变化并随负载电流的增大而加剧，使变压器 输出的外特性变软，同时互感和漏感能量在开关转 大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究 江

13、苏电器 (2008 No.5) 果良好，且 PM 磁芯具有中心孔，在有些谐振电路 中要求准确的调谐，可通过中心孔插入磁棒调节电 感量，调节范围可达 30%。 3 电磁参数设计 高频开关电源变压器的设计依赖于磁芯元件的 形状结构及尺寸，即以磁芯元件固有的结构参数 (体积、有效截面积、磁路长度、结构常数、散热 表面积等)及给定的典型条件(如最大占空比、温升 等)和相关的电源参数(如输入电压范围、输出电流 等)，以最大输出功率为约束条件，设计计算出典 型的参数1。 3.1 PM87磁芯参数 磁芯有效面积Ae=9.1cm2，磁芯窗口有效面积 AQ= 8.496cm2，功 率 容 量 乘 积 A P=A

14、eAQ= 9.1 8.496=77.31，初始磁导率i=2300，饱和磁密 B=390mT(100时)， 磁损耗Pc450kW/m3(100kHz、 200mT时)，电阻率=5 m(DC、25时)。 3.2 变压器电参数(变压器标称功率PT=3 000 W) 原边：原边所加矩形波电压(峰-峰值)Vin max= 540V， 工作频率f=65kHz， 直流电阻设定值R1=0.11， 电感L1=1.50mH，占空比D1=0.9。 副边：副边输出电压17 V及34 V，电源额定输 出电流160A(平均值)，34V脉冲占空比D2=0.1。 3.3 变压器功率容量AP及 A P/AP 式中：PT变压器标

15、称功率；Bm最大磁感 应强度；变压器效率；f变压器原边电路开 关频率；变压器绕组电流密度；Km窗口的 铜导线填充系数；Kc磁芯填充系数(铁氧体,取 Kc=1.0)。所以， A P/AP=77.313/25.64=3.02。 可见采用PM87磁芯对65 kHz、3 000 W变压器来 说，其功率容量足够大。 3.4 原、副边电路中所用的主要器件 原边：采用500 V、48 A，IXYS48N51型功率MOS 场效应管； 副边：采用MUR460型整流二极管和BYT-79型 快恢复二极管。 3.5 绕组计算 3.5.1 原边绕组匝数NP 最终取整数为12匝。 3.5.2 副边绕组匝数NS 34V时：

16、 式中：VOP134V 时副边绕组整流滤波输出电 压幅值，VOP1=VO+VD+VL=341.1+1.2+0.2=38.8(V) 其中：VO考虑脉动值的输出电压值，取VO=1.1V2 VD副边绕组整流二极管的正向压降，VD取 1.2V VL副边绕组滤波电感的直流压降，VL=0.2V。 17V时： 取整数为1匝。 3.5.3 原边绕组电流平均值I1 3.5.4 副边绕组电流平均值I2 由于副边绕组经二极管整流输出为直流17 V上 迭加34V脉冲，其占空比为D2=0.1。 3.5.5 原边绕组线规 考虑高频电流的趋肤效应，开关频率为65 kHz 时的穿透深度为： 式中：角频率，=2f；导线磁导率

17、铜的磁导率为真空磁导率=410-7H/m； 导线的电导率，对于铜导线=5810-6S/m。 导线选择的原则为：原、副边绕组线径应小于 NP= (Vin max/2)108 4fBmAe = (540/2)108 4651031 0009.1 =11.41(匝) (2) (6) I2= PT V2+V2D2 = 3 000 17+1.7 =160.43(A) I1= PT (Vin max/2) D1 =12.35(A) 3 000 (540/2) 0.9 (5) AP= PT106 2fBm KmKc = 3 000106 20.96510310320.51 = 25.64 (1) NS1=N

18、P VOP1 (Vin max/2)=12 38.8 270 =1.72(匝)(3) NS2=NP VOP2 (Vin max/2)=12 20.1 270 =0.89(匝)(4) 取整数为2匝。 。 ； ； = 2 10-1= 2 265103410-75810-6 10-10.26(mm) (7) ， 大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究 20 江苏电器 (2008 No.5) 料比重d=4.8103kg/m3， 当f=65kHz，Bm=100mT时， 单位磁损耗Pc约 120kW/m3，所以： PZ=Pc(m/d)=120(0.81/4.8)=20.25(W) 3.5.14 变压器总损

19、耗P总 P总=PZPCu=24.38+20.25=44.63(W) 4 绕制工艺 高频开关电源变压器对绕制工艺要求很高，如 果前期磁芯选择正确，线圈参数设计合理，但在绕 制工艺上稍有疏忽，就有可能增大变压器的漏感。 而漏感值大，储存的能量也大，在电源开关过程中 突然释放，会产生尖峰电压，增加开关器件承受的 电压峰值，对绝缘不利，同时也产生附加损耗和电 磁干扰。 要减小漏感，线圈绕制时必须做到：(1) 靠紧 并均匀分布绕线；(2) 原、副边绕组应紧密耦合， 尽量增大原、副边绕组的接触面积；(3) 若条件许 可，应尽量采用半包或全包的原、副边绕组绕制形 式。 4.1 总体要求 1)采用PM87磁芯

20、生产厂配套的骨架绕制。 2)整体采用开放式绕制，即原边绕组绕在里 面，副边绕组绕在外面。没有采用半包式或全包式 绕制是由于副边绕组四组铜排引出头已占据窗口空 间绝大部分区间，无法实现半包或全包绕制。 3)在保证可靠绝缘的前提下，副边绕组铜排绕 制尽可能紧靠原边绕组。 4)原、副边绕组引出线位置正确，牢固无松动 现象(采用绝缘材料与热熔胶双重固定的方式)。 4.2 原、副边绕组绕制工艺 1)原边绕组分二股，每股0.27QZ103并 绕。 2) 骨架无绝缘要求，保持较大张力直接绕制。 其中 12 匝要求：里层 6 匝，外层 6 匝；层与层交 叠处加厚度为 0.04mm 的 B 级绝缘纸。 3)原边

21、绕组两引出线应牢固固定并相距10 12mm。 4)副边绕组采用截面积为20 mm2，宽度不小 于8 mm的B级绝缘铜排绕制。分四组，其中绕组 (1-3)、(5-3)匝数为1，(2-3)、(4-3)匝数为2。 5) 副边绕组采用二组合一分别绕制的形式， 两倍穿透深度。现采用0.27QZ106 绕制， 即用由 6 根相同的 100.27QZ 漆包线绞合线并 绕。 3.5.6 副边绕组线规 综合考虑趋肤效应及副边绕组为大电流输出， 宜采用厚度不超过 2mm、截面积不小于 20mm2的扁 铜排 ( 现采用 7mm3.1mm 铜排 )。 3.5.7 原边绕组电流有效值 I 1 式中：D1原边绕组所加电压

22、波形的占空比 IP1原边绕组峰值电流，IP1=UP2/UP1IP2=17/540 160.43=5.05(A)。其中：UP2变压器副边绕组峰值 电压(17 V 时)，其值近似为开关电压直流输出值 UP1原边绕组输出电压幅值；IP2副边绕组峰值 电流，其值等于开关电流直流输出值，即IP2=I2。 3.5.8 副边绕组电流有效值 I 2 由于副边绕组所接为全波整流，所以： 3.5.9 原边绕组电流密度1 1=I 1/S1=6.78/2.49=2.72(A/mm2)。式中：S1 为原边绕组截面积，由于采用0.27QZ60 并绕， S1=d 2 1/460=0.23 2/460=2.49(mm2)。

23、3.5.10 副边绕组电流密度2 由于副边绕组所接为全波整流，所以： 3.5.11 校核窗口 PM87磁芯窗口有效面积AQ=8.496 cm 2，原 边绕组总有效面积： S 1= 2nN P=0.27 260 12=52.5(mm2)。式中：n原边绕组导线并绕根 数。 副边绕组总有效面积： S 2=S222+S21 2=204+202=120(mm2)。 窗口填充系数：=( S 1+ S 2)/AQ=(52.5+120)/ 849.6=0.20，完全可绕制。 3.5.12 绕组铜损耗PCu 3.5.13 磁芯损耗PZ 由 PM87 资料得，PM87 质量m=0.81kg，LP3 材 2= I

24、2/S2= 134.22/20=3.36(A/mm 2) 1 2 1 2 (10) 134.22(A) IP2= 1+2D1 2 1+1.8 2 160.43= I 2= (9) PCu= I i 2R i= R1+ I 2 2R 2=6.78 20.35+ 134.2220.4610-3=24.38(W) (11) I 1 2 (12) (13) I 1= 2D1IP1= 20.95.05=6.78(A) (8) ； ； 大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究 2 江苏电器 (2008 No.5) 即：先将 (1-3) 组和 (4-3) 组铜排叠在一起，其 中 (1-3) 在外，(4-3)

25、在里，固定 3 端后一起绕制， 然后 (5-3) 组在外，(2-3) 组在里叠在一起，3 端 与前一组的3端叠在一起。 然后(5-3)组在外， (2-3) 组在里叠在一起，3 端与前一组的 3 端叠在一起固 定后反方向绕制。 4.3 绝缘处理工艺 1)原、副边绕组(高、低压绕组)间绝缘：采用 厚度=0.19 mm的6层B级绝缘材料紧绕。2)原边绕 组层间绝缘：采用厚度=0.04 mm的1层B级绝缘材 料纸。3)副边绕组层间绝缘：无要求，但铜排交叠 处应填厚度为=0.04mm的4层B级绝缘材料纸。 4.4 磁芯装配工艺 由于PM87磁芯有中心孔，采用M580螺钉固 定，保证两部分磁芯合一，减小气

26、隙，减小磁损 耗。为确保原、副边绕组在磁芯中定位正确和散 热要求，在副边绕组用绝缘带绑扎固定于骨架的 同时，应采用热熔胶在磁芯中固定骨架和副边绕 组。 5 测试结果及分析 测试分静态测试和变压器接于零电压软开关全 桥功率变换器中的动态测试两大部分。 其中静态分别对进口变压器、试验变压器进行 了绕组开路、短路时，R、Q、L等参数的测试，测 试结果见表1和表2。 动态测试时，分别将进口变压器、试验变压器 装在采用零电压软开关全桥功率变换器的开关电源 中，测试记录空载、半载、满载变压器原、副边绕 组各相关点及整流输出波形。图2为变压器满载时 整流输出波形。 测试结果：(1)试验变压器静态测试所获得的

27、 参数无论在开路、短路时均接近进口样机，特别是 全开路时原绕组的L值达到进口样机的水平，为进 一步削弱漏感打下了一定基础。(2)试验变压器在 动态试验时，无论空载或满载所测波形正常。运 行、发热情况良好，满载转换效率达95.2 %。可以 确定采用LP3材料的PM87磁芯是正确的，所设计和 计算的绕组参数是合理的，绕制工艺是切实可行 的。 6 结语 1)完成制作大功率高频开关电源变压器的关键 是：选材(磁芯材料及结构形式、导线)、参数设计 表1 变压器绕组开路时R、Q、L参数测试数据 次级(进口变压器)次级(自制试验变压器) 出线端R /m QL/H出线端R /m QL/H 1-30.20331

28、.0710.881-30.37181.2611.15 2-30.93289.0843.072-31.64121.6343.38 4-31.02263.8343.174-31.48134.1243.34 5-30.16404.0710.735-30.48115.2011.10 1-50.92293.5343.161-51.67145.8943.35 2-46.99158.37 176.262-49.9199.38156.98 1-20.62109.0710.931-21.0171.8211.56 4-50.59115.0610.884-50.7495.4211.38 注：测试条件为f=1kHz，

29、U=5.0V，R=1，延时1s。 表2 变压器部分绕组短路时R、Q、L参数测试数据 初级(进口变压器)初级(自制试验变压器) 进线端R /m QL/H进线端R /m QL/H 全开路 348.05 33.99 1883.00 全开路 353.67 31.56 1777.80 1-3短路 148.892.2252.611-3短路 173.31 2.0757.16 2-3短路 57.992.0018.432-3短路 68.501.9020.71 4-3短路 56.891.8216.484-3短路 61.761.7417.14 5-3短路 148.232.1049.445-3短路 167.56 1.

30、8850.03 1-3-5 短路 55.532.1218.77 1-3-5 短路 62.221.9619.39 全短路21.631.766.05全短路26.261.435.97 注：测试条件为f=1kHz，U=5.0V，R=10，延时1s。 图2 变压器满载时整流输出波形 a)自制试验变压器 b)进口变压器 大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究 (下转第29页) 2 江苏电器 (2008 No.5) 仿真结果表明，经过PSO算法随机搜索到的结 果满足了 2I -22LTL0条件，从而也就找到了 最优的反馈控制u=Kx，解决了不匹配系统的鲁棒 控制问题。 4 结语 利用PSO算法的强大寻优能力

31、来解决不确定系 统的鲁棒参数选择问题，对典型问题的仿真表明， 用PSO算法寻优得到的鲁棒参数具有良好的鲁棒性 和满意的控制效果，不失为一种对鲁棒参数选择的 新方法。 参考文献 1 Lin F.An Optimal Control Approach to Robust Control DesignJ.International Journal of Control, 2000, 73(3)：177-186. 2 Eberhart R, Shi Y.Particle Swarm Optimization, Developments, Applications and ResourcesC/ Pro

32、ceedings of the IEEE Congress on Evolutionary Computation. Piscataway：IEEE Press, 2001：81-86. 3 Shi Yuhui, Eberhart R. A Modified Particle Swarm OptimizerC/Proceedings of IEEE International Conference on Evolutionary Computation. Anchorage：IEEE Press,1998：69-73. 4 Eberhart R, Kennedy J. A New Optimi

33、zer Using Particle Swarm TheoryC/Proceedings of the 6th International Symposium on Micro Machine 一种新型的不确定系统鲁棒参数选择方法 和计算、绕制工艺。 2) 关于绕组匝数：原边绕组匝数由外加激磁 电压或原边绕组激磁电感 ( 储存能量 ) 来决定， 匝数不能过多，也不能过少。匝数过多，漏感增 加，原边绕组回路电压增高，危及开关管的安全 工作；匝数偏少，变压器带负荷能力下降。副边 绕组匝数由输出电压决定，开关电源可以对输出 电压进行调整，但调整上限受允许的开关占空比 限制。因此，用要求的负载电压来计算副边绕组 匝数时，应考虑开关占空比、串联二极管压降和 变压器的内阻抗压降。 参考文献 1 刘胜利.现代高频开关电源实用技术M.北京：电 子工业出版社，2001. 2 王全保.新编电子变压器手册G.沈阳：辽宁科学