正激變壓器的設(shè)計(jì)

1、正激變壓器的設(shè)計(jì)本文以一個(gè)13.8V 20A的汽車鉛酸電池充電器變壓器計(jì)算過程為例，來說明正激變壓器的 計(jì)算過程1、相規(guī)格參數(shù)(SPEC ):INPUT: AC 180V260V50HzOUTPUT: DC 13.8V (Uomax=14.7V)20APout: 274W (Pomax=294W)刀巨 80%, fs: 60KHZ;主電路拓?fù)洳捎脝喂苷ぷ岳渖?、逗擇core材H 袂定AB選才i PC40材質(zhì)Core,考慮到是自冷散熱的方式，取 AB = 0.20T3、碓定core AP 值.泱:定core規(guī)格型虢.AP=AW Ae=(Ps x 10 4)/(2 x A BX fs x J

2、x Ku)Ps :建屋器傅遮視在功率 (W) Ps=Po/ r +Po (正激式)Ps=294/0.8+294= 661.5WJ : 重流密度(A) .取400 A/cm 2Ku:銅窗占用系數(shù).取0.2AP=(661.51屋)/(2 /20 X60X10 3X400X 0.2) =3.4453n2逗用CORE ER42/15PC40 .其參數(shù)卷:AP=4.3262cm 4 Ae=194 mm 2 Aw=223mm 2Ve=19163mm 3AL=4690 ± 25%Pt=433W (100KHz 25 C)4、算 Np Ns.(1) . 算匝比 n = Np /Ns tz Dmax=

3、 0.4n = Np / Ns = Vi / Vo = Vin(min)Dmax/ (Vo+Vf)Vf :二極管正向?qū)医等?VVin(min)=180 x 0.9 x >20=209 VDCVin(max)=260 x 7 2=370VDCn=(209*0.4)/(13.8+0.7)=5.766 取 5.5CHECK DmaxDmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)= 5.5(13.8+1)/209=0.3868=0.387Dmin=n(Vo+Vf)/Vin(max)= 5.5(13.8+1)/370=0.218(2) .言十算NpNp=Vin(min) x ton/( A Bx A

4、e)Ton ： MOS 管導(dǎo)通時(shí)間 ton= Dmax/ fs = 0.387/60 M0 3 = 6.33uSNp = (209 >6.33)/( 0.20194)=34.1 取 34TS(3) .言十算NsNs = Np / n = 345.g 6.18 取整為 6 TS(4) . CHECK Np (以 Ns 瞬算 Np)Np = Ns 為=6 出.5=33TS取 Np = 33TS(5) .碓定NrNr = Np= 33TS(6) . CHECK A B之圜f合理性A B=Vin(min) >DmaX< Ts/ (Np Ae)二(209 X6.33)/ (33 侈4)

5、=0.2067T 5、算線徑：(1) .求初級dwpIp = Pi / VL = Po / ( q x Dma% VIN) =294/(0.80 x 0.38 x 209) =4.63 AIprms= Ip x，D =4.63 x，0.38 = 2.854AAwp = I/J = 2.854/5 = 0.571mm2dwp=/(4Awp/ 兀)=，(4 x 0.571/3.14)=0.853mm 0.9mm or 0.55mm< 4(2) .求dwR.Nr =33TSL = N2XALL = 33 2X4690X 0.75 = 3.83mHIm = Vin(min) x ton / L

6、= (209 x 6.33) / (3.83 x 103)0.345AAWN = 0.345 / 5 = 0.0691mm 2dwN=/(4 x 0.0691/3.14) =0.235mm取 0.28mm(3) . 求Ns之 dwsIsrms=16 x，0.35=9.47A(設(shè)計(jì)輸出電流最大為16A)2 Aws= I / J =9.47+5=1.9 mm查ER42/15BOBBIN®寬27.5mW 0.3mm考慮扣除擋墻條勺6mmlU有27.5 - 6=21.5mm 之可寬度，頸留逾富空 (1.5mm) ,W= 20mm肌dwsF(4Aws/ 兀)=，(4 x 1.9/3.14)=

7、1.56mm選用0.40mm< 166、計(jì)算副邊輸出儲能電感的感量Lo=Vox (1-Dmin) + (0.2 x Io x Fs) 3. = 13.7 X ( 1-0.218 ) + ( 0.2 X 20X60X 10 )3.=10.7134+ ( 240x 10)=45 科 H正激變壓器由于儲能裝置在后面的BUCK電感上，所以沒有Flyback 變壓器那么復(fù)雜，其作用主要是電壓、電流變換，電氣隔離，能量傳遞 等。所以，我們計(jì)算正激變壓器的時(shí)候，一般都是首先以變壓次級后端 的BUCK電感為研究對象的，BUCK電感的輸入電壓就是正激變壓器 次級輸出電壓減去 整流二極管的正向壓降，所以我們

8、又稱正激電源是 BUCK的隔離版本。首先說說初次級匝數(shù)的選擇： 以第三繞組復(fù)位正激變壓器為例，一旦匝 比確定之后，接下來就是計(jì)算初次級的匝數(shù)， 論壇里有個(gè)帖子里的工程 師認(rèn)為，正激變壓器在滿足滿負(fù)載不飽和的情況下，匝數(shù)越小越好。其實(shí)這是個(gè)誤區(qū)，匝數(shù)的多少決定了初級的電感量（在不開氣隙，或開 同樣的氣隙情況下），而電感量的大小就決定了初級的勵(lì)磁電流大小， 這個(gè)勵(lì)磁電流雖不參與能量的傳遞，但也是需要消耗能量的，所以這個(gè)勵(lì)磁電流越小電源的效率越高；再說了，過少的匝數(shù)會導(dǎo)致deltB變大， 不加氣隙來平衡的話，變壓器容易飽和。無論是單管正激還是雙管正激，都存在磁復(fù)位的問題。且都可以看成是被動方式的復(fù)位

9、。復(fù)位的電流很重要，如果太小了復(fù)位效果會被變壓器 自身分布參數(shù)（主要是不可控的 電容，漏感）的影響。復(fù)位電流是因?yàn)?電感電流不能突變，初級 MOSFET關(guān)斷之后，初級繞組的反激作用， 又復(fù)位繞組跟初級繞組的相位相反， 所以在復(fù)位繞組中有復(fù)位電流產(chǎn)生復(fù)位電流關(guān)系到 磁芯能否可靠的退磁復(fù)位，其重要性不言自喻；當(dāng)變壓 器不加氣隙時(shí)，其初級電感量較大，復(fù)位電流自然就小。但在大功率的單管正激和雙管正激的實(shí)際應(yīng)用中，往往需要增加一點(diǎn)小小的氣隙，否則設(shè)計(jì)極不可靠，大功率的電源，一次側(cè)電流很大，漏感引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，B=I*Llik/nAe,就大，加氣隙是為了減小漏感Llik正激的占空比主要是取決于次級續(xù)

10、流電感的輸入與輸出 ，次級則就是一 個(gè)BUCK電路，而CCM的BUCK線路Vo=Vin*D ,跟次級的電流無關(guān)Vo=Vin*DVo：輸出電壓，Vin： BUCK的輸入電壓，即正激變壓器的輸出電壓減去 整流管的正向壓降，D:占空比在此，輸出電壓是已知的我們只要確定 一個(gè)合適的占空比，就可以計(jì)算出 BUCK電感的Vin,也就是說變壓器 的輸出電壓基本就定下來了。 在這特別要提醒大家，占空比D的取值跟 復(fù)位方式有很大的關(guān)系，建議 D的取值不要超過0.5。知道變壓器的輸出電壓 Vs之后，那么就可以 根據(jù)輸入的電壓來計(jì)算出 變壓器的匝比了，這里要用最低輸入直流電壓來計(jì)算匝比，因?yàn)樽畹洼斎氲闹绷麟妷簩?yīng)最

11、大的占空比。此 Vs的電壓對于選擇次級整流二極 管的耐壓也是一個(gè)很重要的數(shù)據(jù)。選擇匝比的時(shí)候請大家注意，因?yàn)橛?jì)算出來的值一般都是小數(shù)點(diǎn)后有一 位甚至幾位的值，而我們在實(shí)際繞制變壓器的時(shí)候，零點(diǎn)幾匝的繞法非常困難，所以盡量取整數(shù)倍的匝比；當(dāng)然，如果計(jì)算變壓器的時(shí)候，變壓器的初次級匝數(shù)比也不排除剛好是小數(shù)的情況。正激變壓器加少量氣隙能將電-磁轉(zhuǎn)換中的剩磁清空，磁芯的實(shí)際利用率 增加,同時(shí)增加的一點(diǎn)空載電流在大功率電流中所占比例較小，效率不會受到太大影響，這樣可以讓變壓器不容易飽和，電源的可靠性增加，同時(shí) 可以減少初級匝數(shù)，變壓器內(nèi)阻降低，能小體積出大功率.加氣隙也相當(dāng) 于增大了變壓器磁芯，但實(shí)際好

12、處（特別是抗飽和能力）是勝于加大磁芯 的。加氣隙后，減小的電感量會被增加的磁芯利用率補(bǔ)回來 ，而且有余，是 合算的不用擔(dān)心。復(fù)位繞組的位置問題，是跟初級繞組近好呢，還是夾在初次級之間好？如果并繞，當(dāng)然跟初級的耦合是最好的，但對漆包線的耐壓是個(gè)考驗(yàn)！當(dāng)然這不至于直接擊穿。無論從EMC角度還是工藝角度來說，復(fù)位繞組放在最內(nèi)層比較好，實(shí)際量產(chǎn)中這是這樣繞的占多數(shù)。單管正激，如果是市電或有 PFC輸出電壓作為輸入的話，MOSFET的 最低耐壓是2倍直流母線電壓，再加上漏感的因素， MOSFET建議選 800V甚至900V的管子。大功率的電源中，考慮到可靠性，一般變壓器的余量較大，為避免變壓 器飽和，一

13、般將deltB選得較小，一般取0.2以下；由于EMC與MOSFET 的開關(guān)損耗考慮，將頻率設(shè)得較低，一般為 40KHz以下；大功率電源 一般都會帶主動式PFC電路，所以單管或雙管正激拓?fù)涞哪妇€電壓大 概是400V左右。由于上面三個(gè)原因，根據(jù)變壓器匝數(shù)計(jì)算公式 Np=Vin*Ton/(deltB*Ae), 可知變壓器的初次級匝數(shù)較多，而較多的匝數(shù)會使分布參數(shù)(漏感，分 布電容)變大，從而使繞組的交流損耗，特別是直流損耗都變大，在加 上大功率變壓器內(nèi)部繞組的 散熱特性很差，故繞組溫升相當(dāng)可觀， 再加 之大功率變壓器的鐵芯散熱面積小，中柱發(fā)熱比兩個(gè)邊柱更嚴(yán)重，而散熱更差，所以鐵芯的損耗導(dǎo)致的溫升也較

14、可觀。較大的鐵損與銅損導(dǎo)致 磁芯的溫度上升，從而導(dǎo)致變壓器的磁通密度飽和點(diǎn)下降，如果設(shè)計(jì)的余量不夠，當(dāng)變壓器在高溫大負(fù)載的沖擊下，可能立即飽和從而導(dǎo)致炸管！而加點(diǎn)小氣隙可以減少變壓器的剩磁，從而使避免變壓器在高溫大 負(fù)載的沖擊下飽和。為什么有的變壓器不加復(fù)位繞組，也能正常復(fù)位？可以利用外部復(fù)位RCD,LCD,有源鉗位等方式。諧振復(fù)位正激變換器，它是利用變壓器激磁電感與 MOSFET結(jié)電容進(jìn) 行諧振復(fù)位的，但是所需的電感量和電容量是需要詳細(xì)計(jì)算的，通常需要對正激變壓器開氣隙才行復(fù)位電流一般都比較小，所以復(fù)位繞組的我做的變發(fā)熱也較小，放在內(nèi)層一般一層就可以繞完便于工藝的控制 壓器一般是復(fù)位，初級，

15、次級，輔助。次級繞組如果在里面，這繞組所用銅線的單匝長度小，直流損耗低，但 散熱就差了一點(diǎn)，如果在外面的話，則情況相反。對于正激電源來說，匝比影響的是占空比，初次級的峰值電流，匝數(shù)以及次級儲能電感的電感量。正激沒有偏磁和直通的毛病，主要優(yōu)點(diǎn)就是可靠性高.同樣頻率下，正激變壓器磁芯的發(fā)熱量只有橋式的 1/3。200W-500W的正激變壓器，可加 0.05-0.1MM的氣隙，這樣可以減少初級匝數(shù)，還可適當(dāng)提高頻率，進(jìn)一步 減少匝數(shù)，以降低導(dǎo)線發(fā)熱量。正激電源開通、關(guān)斷瞬間，初、次級電流包含哪些成分？穩(wěn)態(tài)之后呢？雙管正激的那兩個(gè)鉗位二極管是在復(fù)位的時(shí)候?qū)?，從而鉗位MOSFET兩端的電壓近似等于直流

16、母線電壓，復(fù)位二極管最好用超快回復(fù)的，最理想的選擇是 BYV26C之類的管子，UF系列也可以。硬開關(guān)電路，從理論上分析，提高頻率的益處：可以允許使用更少的匝數(shù)或者使用更小型號的變壓器 （同樣型號的變壓器輸出同樣功率， 鐵損 將明顯減少），減少電源的體積，增大電源的功率密度。當(dāng)然也有不好 的一面：提高頻率將使 MOSFET的開關(guān)損耗加大，變壓器繞線的趨膚 深度降低，分布參數(shù)的振蕩將更加劇烈，EMI變差。所以，可靠性跟頻率沒有必然的聯(lián)系，只要將電路處理好，特別是熱設(shè)計(jì)做好了，一般可靠性還是比較高的。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)等牝電路開美美斷時(shí)等短電路匝比的大小跟輸入的電壓范圍以及占空比有關(guān)。正激與反激不一樣，反激

17、的“電感”變壓器之前，而正激的電感在變壓器之后，所以同樣的占空比下，正、反激的變壓器次級輸出電壓是不一樣的。次級完全可以看成一個(gè)BUCK電路，那么這個(gè)BUCK器次級輸出電壓減去整流管的壓降，只要確定好占空比，就可以計(jì)算出電感前端 的輸入電壓，即變壓器次級的電壓，然后通過占空比凡推出匝比，選好 變壓器之后就可以計(jì)算出初級的匝數(shù)，通過匝比計(jì)算出次級匝數(shù)。在算變壓器的時(shí)候經(jīng)常會因?yàn)樵驯然蛟褦?shù)的小數(shù)而有所調(diào)整， 這樣先計(jì) 算的輸出電感余量不是要再留大些？是的， 一般在實(shí)際電路設(shè)計(jì)的時(shí)候, 跟計(jì)算值相比都會留有一定的余量， 而且當(dāng)發(fā)生取值使用近似值的時(shí)候，都需要進(jìn)行反推驗(yàn)證，這樣才能保證電路的工作狀態(tài)在

18、我們的控制之中。正激變壓器在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)存在三個(gè)電流，1.勵(lì)磁電流，I1=VIN*Ton/Lp ; 也就是Ip中的斜坡電流。這部分電流不傳遞能量，只維持變壓器的電 動勢。2.Ip中的平臺電流I2,這一部分是傳遞能量的。3.次級感應(yīng)電流 I3=n*I2。因?yàn)镮3=n*I2 , I2,I3產(chǎn)生的磁場相互抵消，所以在正激變壓器 計(jì)算中不考慮。開關(guān)損耗是硬開關(guān)電路的硬傷，除非上軟開關(guān)，則可以明顯降低開關(guān)損 耗。硬開關(guān)要降低開關(guān)損耗的方法有降低開關(guān)頻率，加快開通與關(guān)斷的 速度(使波形上升與下降沿更陡峭)，但會使 EMI更差，采用輸入電 容小的MOSFET ,提升電路的驅(qū)動能力等。雙管正激與單管正激變壓器

19、的計(jì)算方法完全一樣。其實(shí)正激變壓器穩(wěn)態(tài)時(shí)的初級電流可以通過變壓器的等效模型得到的，用文字表述下，Ton時(shí)，整流管導(dǎo)通，續(xù)流管關(guān)斷(忽略反向恢復(fù)時(shí)間與漏感的影響等因素 的影響)，次級儲能電感電流線性上升，di(L)/dt=(Us-Uo)/L,而這個(gè)電流會通過匝比反饋到變壓器初級的電流波形中去。當(dāng)然，變壓器的初級勵(lì)磁電感在輸入電壓 Uin的作用下，也會有一個(gè)線性上升的勵(lì)磁電流， di(m)/dt=Uin/Lm ,這兩個(gè)電流都是要流經(jīng)變壓器初級線圈的，所以我們測試的電流就是這兩個(gè)電流的疊加。這也解釋了為何復(fù)位線圈的線徑比初級線圈的線徑小得多的原因。的取值大小限制變壓器鐵芯的損耗大小， 小的B值變壓器

20、越不容易飽和， 但相反需要更多的繞線匝數(shù)， 有時(shí)甚至因?yàn)榇翱诿娣e饒不下， 所以銅損 在增加。 正激一般都是工作在CCM模式，有較大的直流分量，如果要用較大的 deltB的話，就需要加入一點(diǎn)氣隙以降低剩磁，來平衡直流分量帶來的 影響，不過這會讓勵(lì)磁電流增大，變壓器的銅損增加，開關(guān)管的電流應(yīng) 力相應(yīng)的也會增大。因?yàn)檎さ恼伎毡纫话愣紩∮?.5,所以次級續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間要更長。除開電容的影響，整流二極管跟續(xù)流二極管的平均電流應(yīng)該是 一樣的。正激很少用在全電壓的范圍，是因?yàn)檎伎毡茸兓^大嗎？是的， 占空比的變化太大就會使次級的電感設(shè)計(jì)變得麻煩。正激有個(gè)最小占空比的問題。下面開始說 變壓器。第一個(gè)

21、需要面對的就是變壓器骨架與磁芯的選擇 其需要考慮的因素實(shí)在太多，我們列舉其中一部分來討論下：首先用Ap法（磁芯面積乘積法）來計(jì)算變壓器的AP值：AP=AW*Ae=（Ps*10八4）/（2 AB*fs*J*Ku）AW: core 之窗 口面積.（cmA2） ； Ae: core 有效截面積.（cmA2） ； Ps : 變壓器傳遞視在功率 （W ） Ps=Po/ n+Po （正激式）；AB:磁感應(yīng)增 量（T ）; fs :變壓器工作頻率 （HZ ）; J :電流密度（A ）.根據(jù)散 熱方式不同可取3001000 A/cmA2 ; Ku:磁芯窗口系數(shù).可取0.2-0.4對于上式Ap算法得到的值，跟實(shí)

22、際使用的變壓器AP值相差較遠(yuǎn)，所 以被人廣泛詬病。其實(shí)產(chǎn)生誤差的根本原因是，上式基本上都是在工程應(yīng)用中才有優(yōu)化近似而得到的，所以有些參數(shù)是較為理想，而實(shí)際使用中很多的參數(shù)是變化的，甚至還有些分布參數(shù)在“搗亂”，所以造成了偏 差，在實(shí)際使用在還要考慮到余量，所以對于計(jì)算得到的Ap值乘上一個(gè)1.5-2的系數(shù)比較合理。其實(shí)這里的 B（磁感應(yīng)增量）是個(gè)比較重要的物理量，需要大家注意。 B表征磁芯的在電源工作時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化范圍，B=Bmax-Br ,Bmax是最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，Br剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。在輸入電壓與工作頻率 不變的前提條件下，對于同一幅磁芯， B取得越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變 化范圍越寬，磁芯的

23、鐵損越大，但所需要的匝數(shù)就越少，相應(yīng)的銅損就 小。選用磁芯的時(shí)候，需要選擇飽和磁通密度盡量高，剩余磁通密度盡 量小的磁芯，這樣可以實(shí)現(xiàn)小磁芯出大功率的目的。得到AP值之后，可能有非常多的變壓器都符合需要，這是首先需要考 慮結(jié)構(gòu)尺寸的限制，特別是高度與寬度的限制。比如EFD30與EI28的AP值同樣都是0.6cm4左右，但EFD30的高度小很多，更適合與扁 平化的電源中，而EI28對于緊湊型電源則顯得更重要。其次，從降低漏感與分布電容的角度出發(fā)，應(yīng)該選擇骨架寬度較寬的變 壓器磁芯跟骨架，這樣單層繞線的匝數(shù)會更多，有利于降低繞線層數(shù)， 從而降低漏感與分布電容，關(guān)于漏感的問題，我們在后面再展開討論。

24、再次，還要從通用性與經(jīng)濟(jì)性的角度來考慮，這是工程設(shè)計(jì)中無法回避的現(xiàn)實(shí)問題。當(dāng)然還有安規(guī)，EMI,溫升，繞法等一些問題需要考慮。計(jì)算好匝比之后，一般會綜合考慮次級整流管的電壓應(yīng)力， 將計(jì)算的匝 比調(diào)整或?qū)⒃驯热≌?，接著我們就可以通過匝比來反推電路的真實(shí)占空比范圍Dmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)Dmin=n(Vo+Vf)/Vin(max)后面的就是要根據(jù)真實(shí)的占空比范圍來計(jì)算，這樣得到的參數(shù)才是比較合理的。接著就可以計(jì)算最大與最小的導(dǎo)通時(shí)間，tonmax= Dmax/ fstonmin= Dmin/ fs接著就能計(jì)算初級繞組的匝數(shù)了Np =Vin(min) Monmax/( AB >Ae)Np：初級繞組的最少匝數(shù)Vin(min)：初級繞組的最低輸入直流電壓tonmax :初級MOSFET的最大導(dǎo)通時(shí)間AB:磁感應(yīng)