反激电源变压器设计技术

《反激电源变压器设计技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《反激电源变压器设计技术（15页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、许继电源有限公司反激电源变压器设计模块摘要在功率转换装置中，变压器一般都作为体积、重量最大的组件出现。同样，对于电力电子系统的整体性能、效率乃至成本而言，变压器也起着至关重要的作用。在变压器设计的过程中，由于变压器各参数之间的相互依存和影响，全局的考虑和方方面面权衡折中是实现设计优化的关键。在DC/DC模块中，反激电路作为输出隔离的电源产品常用主电路拓扑，其变压器是实现隔离、功率传递的核心之一。在下文中，将以这种电路的变压器设计为主要内容，阐述设计要点和一般步骤。关键词变压器反激电感气隙匝比磁芯材料本模块起草人：赵瑞杰专业术语输入参数电路参数磁芯参数设计参数总视在功率PT电流密度J面积乘积Ap

2、窗口系数Ku转换效率n原边电流有效值I1有效截面积ae波形系数Kf工作频率f副边电流有效值I2窗口面积A最大工作磁密Bm输入电压U1穿透深度e饱和磁密bs匝比n输出电压U2铜损Pcu磁芯表面积ST原边匝数Np铁损PFe剩磁Br副边匝数Ns平均绕组长度MLT有效平均磁路长度le原边绕组电感LP气隙长度lag每匝平方电感量Al许继电源有限公司许继电源有限公司磁芯体积Ve单位体积的磁芯损耗Pb1. 来源反激变换器XJ104E-1335的主功率变压器为例2. 适用范围反激变压器的一般设计。3. 满足技术指标反激变压器输入电压176264VDC工作频率45kHz输出电压5V/8A、±5V/1A

3、最大占空比0.45电源输出功率70W整机效率83%4. 详细电路图反激变换器的电路原理图反激变换器原理图许继电源有限公司许继电源有限公司5. 变压器工作原理简述反激电路的工作原理以及变压器的工作特性。反激电路工作原理以及变压器的工作特性如下：当主开关管Q1导通时，变压器初级电压近似为电源电压，其极性为上正下负，与之对应的变压器次级电压为上负下正，此时整流二极管D1反向截止，负载的能量由输出电容提供。与此同时，流过变压器初级电感和Q1的电流逐渐上升，此时变压器相当于一个储能电感，在开关管导通期间储存能量。当主开关管Q1截止时，D1正向导通，变压器将储存的能量通过整流二极管提供给负载和输出电容。此

4、时流过D1的电流逐渐下降，假设变压器工作在能量完全传递工作模式（DCM模式），则流过整流二极管的电流会一直下降到零。即每个工作周期变压器初级电感储存的能量被完全传递到变压器的次级侧。对于能量不完全传递工作模式（CCM模式），电压和电流的波形会有所差别，其工作原理和能量完全传递工作模式类似。6. 变压器设计7. 0变压器概述在对任何变压器的设计过程中，都会遇到以下的种种限制。首先是功率传输（工作电压乘以最大电流）方面，变压器次级绕组必须在限定的调整率（一般定义为空载输出电压与额定负载输出电压的差的绝对值除以额定负载输出电压所得到的百分比）下有足够的能力将能量传至负载。其次是最低工作效率，这方面取

5、决于变压器允许的最大功率损耗。另外在特定温度环境下还有最大允许温升的要求。除了以上在性能方面的设计限定外，另外还有诸如体积、重量、价格等方面的工程要求。在设计中，依据要求或是手册，某个设计要求将成为占主导和必须确保因素。影响其他性能的因素将适当折中考虑以期达到最优设计。由于参数间的相互作用和联系，在一个设计中优化所有参数是不可能的。比如说，如果体积重量是首要考虑的问题，那么由此而采取的高频变压器，其损耗劣势将会自然凸现。当频率要求不能过高时，为了减小体积重量，势必选用更高效率的磁性材料，那么我们又将直面价格问题。折中和权衡直接影响设计结果。需要考虑的设计参数之间的联系见下图表述。许继电源有限公

6、司许继电源有限公司变压器的传输功率对于设计来说是一个重要参数，视在功率作为功率处理能力的指标，其大小对于变压器的几何形状和尺寸大小起决定作用，由于功率变压器处理初级输入和次级输出的功率，所以定义视在功率Pt=pn十Po。P的大小在2到2.828倍的输入功率Pn间变动，具体数值取决于变压器电路的结构类型。例如对于有中间抽头绕组变压器原边电流连续的情况，其功率要乘以1.414的系数。而对于电流不连续的变压器情况，其视在功率Pt=Pin+P0,视在功率Pin和Po满足Pn=VPIp,Po=VsIs；Vp、Ip、Vs、Is分别为变压器原副边电压和电流的有效值，有Vs=Vp/n；与模块输入功率和输出功率

7、的简单相加不相等。效率方面，变压器的效率定义为输出功率和输入功率的百分比，输入功率包括输出功率、铁损和铜损，由于铜损大小可以近似为与输出功率的平方成正比，Po”=2对该式求导数，可以推导，当铜损=铁损的时候，效率最高。PoKPoPFe面积乘积Ap以及窗口面积、窗口系数、有效截面积、MLT、电流密度的确定能确定诸如变压器表面积、体积、重量、温升等特性，但是要在效率和尺寸间作出优化，选择磁芯材料就是要考虑的重要因素了。磁芯材料的选择要根据磁芯的工作状态，在电力电子变换器中，磁芯的工作状态有三类：双向磁化是第一类工作状态，其外加激励电压是纯交变量，代表电路是推挽电路。这类工作状态的磁芯要求高Bs,高

8、导磁率，低损耗。第二类工作状态其磁芯单向磁化，传递单向脉冲的变压器，其外加激励电压一般是单向矩形脉冲，代表电路是单端正激电路、脉冲变压器、驱动变压器等。这类工作状态的磁芯要求高Bs,低Br,高导磁率，低损耗。许继电源有限公司许继电源有限公司第三类工作状态其磁芯也是单向磁化，但绕组流过较大的直流分量，并叠加一个小的交变分量。为了使磁芯不饱和，一般加有气隙。代表电路是直流滤波电感、储能电感、平波电抗器等。这类工作状态的磁芯要求高Bs,恒导磁范围宽，低损耗。高频变压器磁性材料选择的标准为高初始磁导率科i、低矫顽力Hc、高饱和磁感应强度Bs、低剩磁Br、高电阻率p和高居里温度点。磁导率高，变压器工作时

9、励磁电流就小；矫顽力低则磁滞损耗比较小；高饱和磁感应强度，低剩磁，变压器工作时磁通变化范围AB可以较大，相应减小了变压器体积；高电阻率，高频工作时涡流损耗比较小；高居里温度点，变压器工作温度可以相应提高，但以上各项要求不可能同时得到满足，不同的磁性材料存在其长处也必然存在不足，需视具体应用条件加以选择。磁芯结构形式的选择一是考虑几何尺寸的限制，例如小功率模块要求具有超薄的结构，变压器高度限制是主要约束；二是考虑磁芯截面积和窗口面积的比例，多路输出变压器一般要求有较大的窗口面积，选择EE型或EI型磁芯，可具有较大的窗口和良好的散热性，铃流变压器要求磁芯截面积比较大，可选用GU形磁芯；此外还应考虑

10、变压器的安装，加工方便性，成本等.目前中、大功率模块电源通常选用GU形磁芯，这种磁芯特点是有较大的截面积，漏磁很小，但出线需手焊。最大磁感应强度Bm,考虑高温时饱和磁感应强度Bs会下降，同时为降低高频工作时磁芯损耗，工作最大磁感应在一般选择为20002500GS,工作频率的选择可在设计变压器时进行反推，或先确定再进行调整。变压器绕制的基本要求是耦合紧密，以减小漏感。设计时有两种基本方法以增加绕组间耦合，一是双线并绕，常用于绕制输出正负绕组、原边绕组与去磁绕组等，要求并绕的绕组匝数相等且压差不能太高；另一种是夹绕的方法，将原边绕组均分为两层，夹副边绕组，也有多层夹绕的方法。在确定了以上的因素后，

11、就可以开始针对具体的电路要求以及磁性元件的特性，根据电路和磁路公式设计变压器了。6.1反激变压器设计6.1.1反激变压器设计的一般步骤由电路原理的分析可知，在反激变换电路中，变压器起着电感-变压器的双重作用，由于它是电感，在开关电路中必然具有电感的一般规律，即具有电感电流连续、临界连续、断续三种工作模式。这里的“连续”，是指原副边绕组的电流在一个周期中是否回零（具体指次级绕组电流在Toff内是否下降到零），事实上是磁通的连续性。它反映了原副边能量传递的完全性。反激变换器工作于电流连续模式（CCM）和电流断续模式（DCM）,同样输出功率时，工作于电流断续模式具有较大的峰值电流，此时开关晶体管、整