反激型开关电源变压器设计与校核

喻 晶，徐 亮，唐明铭，李春炀，章 鹏，吴增凤

（中天宽带技术有限公司，江苏 南通 226400）

1 磁芯材质选择

变压器设计首先需要进行铁芯材质的选择，软磁铁氧体（Ferrites）是以三氧化二铁为主成分的亚铁磁性氧化物，不使用镍等稀缺材料也能得到高磁导率，且烧结物硬度大、对应力不敏感，磁导率随频率的变化特性稳定。软磁铁氧体具有高的饱和磁感应强度，具有低损耗/频率关系和低损耗/温度关系。

软磁铁氧体有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 等几类，其中Mn-Zn 铁氧体的产量和用量最大，Mn-Zn 铁氧体的电阻率低，为1 ～10 Ω·m，一般在100 kHz 以下的频率使用[1]。综上选择Mn-Zn 软磁铁氧体磁芯。

2 相关参量的计算

文章设计的是反激型开关电源的变压器。开关电源输入侧从直流母线取电，取电回路中串有高频开关管，开关打开期间，变压器把能量从输入源存储起来。在开关断开期间，电感电压反向，钳位二极管正向偏置，电感电流流向输出侧。变压器的作用就是将输入侧（原边）的能量传递到次级侧。对于反激式开关电源，根据电量守恒原理，其输入输出电压与占空比D之间的关系为

反激电源Pin=100 W。对于变压器本身而言，其功率损耗基本集中在次级侧的绕组导通损耗，变压器次级侧的绕组损耗PT2P表达式为

3 磁芯型号选择和窗口面积校核

查得最接近的磁心型号为ER35。 ER35 的相关尺寸如图1 和表1 所示。

表1 ER35 磁芯尺寸 单位：mm

图1 ER35 磁芯尺寸标识

变压器能否制作成功，除了需要考虑磁芯材质、输入输出功率、磁芯型号等因素，还需要重点考虑结构问题，有可能变压器各种参数设计好了之后线圈却绕不下，传统的验证方式是通过实物制作样品，费时费力。通过窗口面积校核法进行提前校核，可以避免变压器绕组绕不下的情况，简化变压器的制作流程[3-6]。ER35 的等效窗口面积Q=(E-D)×F=140.14。根据式（5）说明绕组能绕的下，设计计算完成。

4 计算电感量

计算电感应储存的能量（ΔI为电流超调量，ΔI=1 A）为

代入相关数值，计算可知EL为1.31 mH。

将磁芯材料及选型、各绕组功率需求、匝数比以及电感量等参数提供给变压器厂家，变压器厂家便可以制作出变压器样品。

变压器在同样的电流输出能力下，其输出绕组可以采用多股小直径铜线并绕和少股大直径铜线并绕2 种方式。在2 种方式均满足窗口面积校核的情况下，通过实测对同一反激电源电路中应用2 种不同绕线方式制成的变压器进行对比。

2 个变压器各绕组匝数相同，一个变压器绕组为0.2×50P 的多股绞合线。另一个变压器绕组为1×3P的漆包线。需要对比的参数如下[7]。（1）满载时开关管的应力；（2）满载及过载时整流管的温度；（3）在老化房里运行0.5 h/2 h/8 h/12 h 的情况下，变压器的温升曲线。

5 测试波形及数据

（1）满载时开关管的应力。相同的反激电源应用2 种变压器时开关管的应力如图2 和图3 所示，由图可以看出，2 者开关管的应力相同，正向应力均为320 V。因此，变压器匝数不变的情况下，改变绕组线径和股数对开关管应力没有影响。

图2 多绞线变压器MOS 管两端正向应力

图3 漆包线变压器MOS 管两端正向应力

（2）满载及过载时整流管的温度。满载及过载时整流管的温度如表2 所示，温升曲线如图4 所示。

表2 满载及过载时整流管的温度

图4 反激电源电源整流管温升曲线

整流管是反激电源中温度最高的元器件，由图4可以看出，整流管运行3 h 之后温度达到平衡。使用多绞线变压器将系统整体温度温度降低了0.6 ℃；过载对反激电源的温度影响较大，相比满载，过载时温度上升了16.8 ℃，增加23.5%。使用共模电感后，随着开关管的应力减小，整流管温度叶有所下降，由表2 可以看出，相比无共模电感时，整流管温度下降了11.1 ℃。

表2 满载及过载时变压器的温度

（3）在老化房里运行0.5 h/2 h/8 h/12 h 的情况下，变压器测得的温度如表3 所示，温升曲线如图5 所示。由图5 可以看出，变压器在前2 个小时内温度上升比较大，运行4 h 之后温度达到平衡。同等条件下，运行12 h 之后，多绞线变压器相比3 股线变压器，温度低5.2 ℃，效果更好。

图5 反激电源变压器温升曲线

结合前面的分析可以知道，同等条件下，使用多绞线变压器铜损小，有助于降低反激电源系统温度。