基于I～P特性的反激式电源高频变压器磁芯选择

夏永洪，顾伟华，朱德省，朱佳伟

(1.南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031 2.江苏林洋能源股份有限公司，江苏 启东 226200)

0 引 言

反激式开关电源相较于传统线性电源，具有体型轻巧和输出稳定的优势，因而得到了广泛的应用[1]。高频变压器作为反激式开关电源的核心部件，其磁芯的合理选择对电源的工作性能和设计成本起着决定性的作用。

文献[2-5]采用AP(面积乘积)法选择高频变压器的磁芯，即根据计算得到的AP值选择最为接近的磁芯规格，但由于在AP值的计算过程中有较多人为设定的中间量，因此得到的AP值只是一个近似结果，从而会存在一定的偏差。文献[6]在现有磁芯AP选择法的基础上，通过改进AP法的中间计算量使得磁芯选择结果更加准确，但该方法所得到的结果依然是一种估算值。文献[7-9]根据不同磁芯在同一条件下的高频损耗来选择合适的磁芯，但在磁芯选择过程中尚未考虑不同磁芯结构对电源功率特性的影响。文献[10,11]借助有限元工具实现了不同磁芯高频变压器的设计建模，并对不同磁芯的性能参数进行了分析，为该类高频变压器的磁芯选择提供了参考。

与现有采用AP法选择高频变压器磁芯的方法不同，提出一种基于电源I～P特性的高频变压器磁芯选择方法。建立反激式开关电源联合仿真模型，对不同磁芯的高频变压器对应的电源I～P特性进行计算，并采用实验测试的方法对计算结果加以验证。同时根据仿真结果，推导不同磁芯的I～P特性拟合公式，结合磁芯的最大工作磁密得到电源最佳输出功率，以实现电源在不同应用功率区间下磁芯的合理选择。

1 高频变压器的有限元建模

1.1 反激式开关电源参数

反激式开关电源的工作电压为220 V，电源最大设计功率为9 W，设计负载输出电压UO为13 V，对应的开关控制芯片为VIPER16L，内置开关MOS管，开关频率为60 kHz。高频变压器参数为：磁芯为EF20，磁芯材质为PC40，原边电感量LP为5 mH，绕组个数为2，原边绕组匝数NP为134匝，副边绕组匝数NS为18匝。同时在不改变磁芯材质的前提下，对高频变压器磁芯为EE16也进行了研究，两种磁芯参数如表1所示。

表1 磁芯EF20和EE16的参数对比

1.2 有限元建模

根据已确定的高频变压器参数，搭建了磁芯分别为EF20和EE16时的高频变压器2D模型，两种模型在气隙长度和绕组线径上完全相同。同时为了保证两种磁芯结构对应的模型在绕组匝间距上的一致性，其中磁芯EF20模型采用绕组居中密绕法，磁芯EE16模型采用满层绕制法，如图1所示。

图1 两种磁芯对应的高频变压器2D模型

通过对图1两种磁芯的2D模型进行计算，得到了磁芯EF20和磁芯EE16对应的高频变压器原边电感量LP分别为5 mH和3.2 mH。

2 反激式开关电源I～P特性联合仿真

2.1 联合仿真模型的搭建

将图1中两种磁芯的2D模型导入Simplorer软件中，并建立反激式开关电源联合仿真模型，如图2所示，相应的联合仿真参数，如表2所示。其中高频变压器原边等效直流输入电压Uin可根据电源的工作电压近似取值；PWM控制器的开关周期可根据开关频率确定；MOS管寄生电容Cds和导通电阻Rds参考控制芯片VIPER16L的手册。

图2 反激式开关电源联合仿真模型

2.2 I～P特性联合仿真

基于联合仿真模型和仿真参数，可得到对应各负载功率PO的高频变压器原边电流峰值IPmax，从而确定相应的电源I～P特性曲线。

表2 联合仿真参数

以电源最大设计功率9 W为例，根据负载输出电压为13 V计算得到了负载RL为18.78 Ω。在图2所示的仿真模型中，通过调节PWM控制器的输出占空比可满足负载输出电压为13 V，并得到两种磁芯对应的高频变压器原边电流波形，以及相应的电流峰值IPmax，如图3所示。

图3 高频变压器原边电流波形

由图3可知，当电源的工作电压和负载功率分别为220 V和9 W时，磁芯EF20和EE16对应的高频变压器原边电流峰值分别为266.9 mA和331.1 mA。同理，可以计算两种磁芯对应各负载功率点时的高频变压器原边电流峰值，即为I～P特性曲线，如图4所示。

图4 工作电压220 V时两种磁芯的I～P特性曲线

2.3 实验验证

为了验证联合仿真模型计算得到的I～P特性曲线的准确性，根据前面高频变压器的相关参数，研制了2台采用不同磁芯构成的高频变压器样机，分别在基于VIPER16L的反激式开关电源模块中进行了实验测试，测试平台如图5所示，得到了工作电压为220 V时两种磁芯的I～P特性测试结果，并与图4所示的仿真曲线进行对比，如图6所示。

图5 电源模块功率特性测试平台

图6 工作电压220 V时两种磁芯的I～P特性仿真与测试结果比较

由图6可知，在同一工作电压下，联合仿真计算结果和实验测试得到的I～P特性曲线吻合较好，说明了采用联合仿真得到的I～P特性曲线的准确性。

3 基于I～P特性的高频变压器磁芯选择

根据图4所示的两种磁芯I～P特性联合仿真结果，借助Matlab软件拟合工具，选取I～P特性仿真曲线中的整数功率点，如图7所示。

图7 两种磁芯I～P特性拟合功率点

根据图7(a)的10个数据点，得到了磁芯EF20的电源I～P特性拟合公式:

(1)

根据图7(b)的10个数据点，得到了磁芯EE16的电源I～P特性拟合公式:

(2)

根据I～P特性拟合公式，可以计算得到两种磁芯对应的开关电源最佳输出功率PC，该输出功率PC与高频变压器磁芯的最大工作磁密BM有关。

两种磁芯的最大工作磁密均为0.3T，则两种磁芯对应最佳输出功率PC时的高频变压器原边电流峰值IPmax为：

(3)

根据式(3)计算得到了磁芯EF20和EE16对应的原边电流峰值IPmax分别为269.34和241.20 mA。

将磁芯EF20和EE16对应的原边电流峰值IPmax分别代入式(1)和式(2)，得到了磁芯EF20和EE16对应的最佳输出功率PC分别为9.34和4.66 W。

为了验证上述拟合公式计算结果的准确性，在仿真模型中对最佳输出功率PC分别为9.34 W和4.66 W时的高频变压器原边电流峰值进行了仿真计算，并与拟合公式计算结果进行了对比，如表3所示。

表3 最佳输出功率下原边电流峰值仿真模型和拟合公式计算结果对比

由表3可知，在最佳输出功率下，拟合公式计算得到的IPmax与联合仿真的计算结果误差很小，证明了拟合公式计算结果的准确性。

根据两种磁芯对应的电源最佳输出功率PC，并结合电源的最大设计功率(9 W)，可为开关电源在不同的功率应用区间选择合理的磁芯，如表4所示。

表4 电源不同应用功率区间的磁芯选择

由表4可知，当电源应用功率区间为0～4.66 W和4.66～9 W时，选用的磁芯分别为EE16和EF20。相较于磁芯EE16，磁芯EF20可应用的电源功率区间更大，但当电源功率未超过4.66 W时，选用磁芯EE16的经济性更好。

4 结 论

针对反激式开关电源中高频变压器磁芯的合理选择进行了研究，提出了一种基于电源I～P特性的高频变压器磁芯选择方法。建立了反激式开关电源联合仿真模型，对不同磁芯的电源I～P特性进行了计算，通过对特性曲线的处理，推导了不同磁芯对应的I～P特性拟合公式。根据磁芯最大工作磁密得到了不同磁芯对应的电源最佳输出功率，并结合电源的最大设计功率，实现了开关电源在不同功率应用区间的磁芯合理选择，可降低反激式开关电源的设计成本。反激式开关电源模块功率特性测试结果，与联合仿真结果吻合较好，验证了该方法的正确性。