反激式开关电源变压器的设计

彭云华,黄土荣,廖晓文,刘 美

(1.广州东芝白云菱机电力电子有限公司，广东 广州510460；2.广东石油化工学院 自动化系，广东 茂名525000)

在DC-DC变换器设计中，变压器是电源变换器设计中非常重要的环节，设计时需要综合考虑变压器的磁芯型号、初级电感大小、气隙大小、匝数以及绕组的绕法。而变压器的设计需要技术人员根据一些经验参数来进行变压器的设计和绕制，会出现经验设计多于准确的参数设计，需要实际经验和理论设计两者相互结合[1]。反激式开关电源变压器有连续电流模式（CCM）和断续电流模式（DCM），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难度，变压器在DCM模式工作的性能较差[2]。本文主要针对DCM模式下，改进设计了一个总功率为12W的两路输出反激式开关电源变压器。以下详细介绍变压器设计的方法与步骤，并给出设计实例。变换装置。与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组（原绕组）；与负载相连的线圈，传递交流电能，称为二次绕组（副绕组）。原、副绕组产生的感应电动势和它们各自的匝数成正比。如图1理想变压器结构图所示。

图1 理想变压器结构图Fig.1 Ideal transformer Structure

1 变压器的工作原理

变压器是根据电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和磁芯。变[1]压器可将一种电压的交流电能变换为同一频率的另一种电压的交流电能的

图 1中 U1为输入电压，U2为输出电压，N1、N2分别为一次绕组匝数和二次绕组匝数，I1为输入电流，Φ1为变压器磁通量。

1）变压器的类型

①按相数可分为单相、三相变压器和多相变压器。

②按绕组数可分为双绕组、三绕组和自耦变压器。

③按磁芯结构可分为磁芯式和磁壳式变压器。2）变压器的基本结构[3]

①绕组：绕组是变压器的电路部分。一般采用绝缘纸包的铜线或铝线绕成。

②磁芯：磁芯是变压器的磁路部分。磁芯分为磁柱和磁轭两部分，磁柱上套装有绕组线圈，磁轭则是作为闭合磁路作用，磁柱和磁轭同时作为变压器的机械构件。

③气隙：气隙是在磁芯交合处留的缝隙。变压器留气隙是为了防止在工作中产生磁饱和。气隙的作用是减小磁导率，防止磁芯饱和。

④绝缘部件及引线：绝缘材料包括衬垫材料和浸渍材料。其中衬垫材料主要用于绕组层间的绝缘、绕组与绕组间的绝缘以及绕组与磁芯间的绝缘。浸渍材料主要用于对绕组的浸渍或变压器进行灌封，浸渍材料除能加强变压器绕组及磁芯的绝缘外，还可以起到防潮和散热的作用。

2 变压器的设计步骤和计算公式

变压器设计的步骤包括确定各种设计指标，包括峰值电流、磁芯尺寸、气隙大小、初级次级线圈绕组匝数及绕组导线选取等。

1）变压器设计指标

变压器设计指标主要包括：输入电压、输出电压、输出电流、效率η、工作频率f、最大导通占空比D max、及最大工作磁通密度B max等参数。

2）确定输出功率、输出电流、峰值电流

①开关电源输出总功率Pout等于二次各绕组输出功率之代数和，即：

Von、Ion表示第n个二次绕组的输出电压、电流。

②对于一次绕组的输入功率，一次绕组的功率不等于二次绕组的总功率，因为考虑到变压器中有损耗，所以一次绕组的功率Pin应该为：

式中：η─变压器效率，始终小于1，1 KVA以下的变压器η=0.8～0.9。

③计算最小和最大输入电流的电压Vin(min)、Vin(max)。

④计算最小和最大输入电流的电流Iin(min)、Iin(max)。

⑤估算峰值电流：

其中：K=5.5（反激电路）[5]3）磁芯尺寸的确定

为了减少铁损耗，变压器的磁芯是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶体材料制成。为了减少磁路中不必要的气隙，变压器磁芯在叠装时相邻两层硅钢片的接缝要互相错开。按各种磁芯可传递的能量来选择磁芯，如下表：

表1 输出功率与大致的磁芯尺寸的关系Tab.1 Relationship between the output power and the approximate size of the core

4）计算一次电感最小值Lpri

式中：f单位为Hz

5）计算变压器的气隙

反激式变压器的设计必须引入气隙[4]，否则会造成磁芯饱和。磁芯饱和会引起初级线圈电感量急剧下降，对电流的阻碍作用减小，造成电流突变，烧毁器件。因而需要在磁回路加入适当的气隙，计算变压器气隙其公式如下：

其中，Ae为磁芯有效截面积，单位为cm2；Bmax为最大磁通密度，主要根据磁芯的材料来选择的，单位为T；Lpri为一次电感最小值，单位为H。6）计算一次绕组所需匝数N0

式中AL为磁芯电感系数，查看磁芯参数表可得。7）计算二次绕组所需匝数N1

式中，V01=输出电压；VD1=整流二极管压降；其它次级绕组匝数Nn：

式中，n取2,3,4…n

8）计算和选取绕组导线线径

可由下式得出导线截面积As

电流密度一般选取J=(2～3)A/mm2；但在变压器短时间工作时，电流密度可取J=(4～5）A/mm2。对于DCM非连续工作时可取J=4 A/mm2。

导线的直径d1[6]：

根据算出的直径查电工手册或表二选取相近的标准线径。当线圈电流大于10A，可采取多根导线并联或选用扁铜线。

3 变压器实例计算

开关电源设计要求，设计电路的输出总功率为12W，采用反激式开关电源，共有两路输出电压，输出电压均为+15 V/400mA。输入电压范围在AC60 V～150 V。输出电压为两路DC15 V；电流为 400mA；效率 η取0.85；工作频率在 50 kHz；最大导通占空比Dmax=0.5。1）计算输入功率、输入电压、输入电流和峰值电流

①输出功率：

②输入功率：

③最低输入电压：

④最高输入电压：

⑤最小平均输入电流：

⑥最大平均输入电流：

⑦峰值电流：

其中：K=5.5（反激电路）

2）确定磁芯型号尺寸

12W可根据表1，选用每边30mm的EE30/30/7材料为PC40磁芯。磁芯Ae=60mm2,Aw=125mm2

此处Ae为磁芯的截面积，Aw为窗口面积。3）计算一次电感最小值

4）计算磁芯气隙

查看磁芯参数表，可知EE30/30/7，AL=2 100 nH/N2

式中，AL为电感系数。

5）计算一次绕组所需匝数N0

取23匝

6）计算二次绕组所需匝数N1

此处整流二极管取肖特基二极管，压降0.2V。

取5匝。

7）导线直径

一次绕组按照公式（14）计算：

二次绕组：

4 实验结果

采用该变压器制作了13 V/0.4 A两路输出反激式开关电源。在空载时进行了电压调整测试，通过示波器检测可得实验结果如图2所示。由图可见，峰峰值最高为160mv，输出电压在13.2 V左右，峰峰值不大，输出13.2 V是反馈电阻的原因。对开关电源而言，160mV的纹波在可接受范围。此外，在测试本设计纹波的时候，示波器探头间没有用去耦电容。在开关电容输出方面，并没有选取低ESR的电容作为去耦电容，在一定程度上也影响了纹波的性能。

图2 变压器15V的输出波形图Fig.2 15V transformer outputwaveform diagram

5 结束语

设计反激式开关电源变压器，需要考虑以下参数：磁芯型号，输出功率，一次绕组电感，工作频率，原、副绕组的匝数，导线直径以及绕线方式和注意细节。实验结果表明，在电流不连续工作状态下，反激式变压器能表现良好的性能，稳定可靠。

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