正激变换器中变压器设计方案.DOCVIP

正激变换器中变压器的设计 1引言??? 电力电子技术中，高频开关电源的设计主要分为两部分，一是电路部分的设计，二是磁路部分的设计。相对电路部分的设计而言，磁路部分的设计要复杂得多。磁路部分的设计，不但要求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰富的实践经验。在磁路部分设计完毕后，还必须放到实际电路中验证其性能。由此可见，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部分的设计。高频开关电源的磁性元件主要包括变压器、电感器。为此，本文将对高频开关电源变压器的设计，特别是正激变换器中变压器的设计，给出详细的分析，并设计出一个用于输入48V(36～72V)，输出2.2V、20A的正激变换器的高频开关电源变压器。2正激变换器中变压器的设计方法??? 正激变换器是最简单的隔离降压式DC/DC变换器，其输出端的LC滤波器非常适合输出大电流，可以有效抑制输出电压纹波。所以，在所有的隔离DC/DC变换器中，正激变换器成为低电压大电流功率变换器的首选拓扑结构。但是，正激变换器必须进行磁复位，以确保励磁磁通在每一个开关周期开始时处于初始值。正激变换器的复位方式很多，包括第三绕组复位、RCD复位[1,2]、有源箝位复位[3]、LCD无损复位[4,5]以及谐振复位[6]等，其中最常见的磁复位方式是第三绕组复位。本文设计的高频开关电源变压器采用第三绕组复位，拓扑结构如图1所示。 ??? 开关电源变压器是高频开关电源的核心元件，其作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。在开关管的作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电磁转换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负载。开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率，而且还会影响到高频开关电源的技术性能和可靠性。所以在设计和制作时，对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密考虑。开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的影响不能忽略，这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中流动的趋肤效应。一般根据高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应影响则作为选择导线规格的条件之一。?2.1变压器设计的基本原则??? 在给定的设计条件下磁感应强度B和电流密度J是进行变压器设计时必须计算的参数。当电路主拓扑结构、工作频率、磁芯尺寸给出后，变压器的功率P与B和J的乘积成正比，即P∝B·J。??? 当变压器尺寸一定时，B和J选得高一些，则某一给定的磁芯可以输出更大的功率；反之，为了得到某一给定的输出功率，B和J选得高一些，变压器的尺寸就可以小一些，因而可减小体积，减轻重量。但是，B和J的提高受到电性能各项技术要求的制约。例如，若B过大，激磁电流过大，造成波形畸变严重，会影响电路安全工作并导致输出纹波增加。若J很大，铜损增大，温升将会超过规定值。因此，在确定磁感应强度和电流密度时，应把对电性能要求和经济设计结合起来考虑。2.2各绕组匝数的计算方法??? 正激变换器中的变压器的磁芯是单向激磁，要求磁芯有大的脉冲磁感应增量。变压器初级工作时，次级也同时工作。??? 1)计算次级绕组峰值电流IP2??? 变压器次级绕组的峰值电流IP2等于高频开关电源的直流输出电流Io，即式中：D是正激变换器最大占空比。??? 3)计算初级绕组电压幅值Up1??? Up1=Uin－ΔU1（3）式中：Uin是变压器输入直流电压（V）；????? ΔU1是变压器初级绕组电阻压降和开关管导通压降之和（V）。??? 4）计算次级绕组电压幅值式中：Uo是变压器次级负载直流电压（V）；????? ΔU2是变压器次级绕组电阻压降和整流管压降之和（V）。??? 5)计算初级电流有效值I1??? 忽略励磁电流等影响因素，初级电流有效值I1按单向脉冲方波的波形来计算：??? 6)计算去磁绕组电流有效值IH??? 去磁绕组电流约与磁化电流相同，约为初级电流有效值的5％～10％，即??? 8)确定磁芯尺寸[7]??? 首先确定铜耗因子Z，Z的表达式为式中：τ是环境温度（℃）；????? Δτ是变压器温升（℃）。??? 然后计算脉冲磁感应增量ΔBm，??? ΔBm=KB·Bm（10）式中：KB是磁感应强度系数；????? Bm是磁芯材料最大工作磁感应强度（T）。??? 对于R2K铁氧体磁芯，最大工作磁感应强度是0.3T。磁感应强度系数KB可以从图2所示的磁感应强度系数曲线图得出，它取决于输出功率P2（W），工作频率f（kHz）和变压器平均温升Δτ（℃）。 ??? 变压器所需磁芯结构常数Y由下式确定式中：Y是变压器所需磁芯结构常数（cm5）；????? q是单位散热表面功耗（W/cm2），q可以从温升和q值