反激式變壓器的設計

校企聯合開發(fā)的實訓教材反激式變壓器的設計廣東明豐電源實業(yè)有限公司中山火炬職業(yè)技術學院2018年6月20日反激式變壓器的設計反激式變壓器設計思考（一）對一般變壓器而言，原邊繞組的電流由兩部分組成，一部分是負載電流分量，它的大小與副邊負載有關；當副邊電流加大時，原邊負載電流分量也增加，以抵消副邊電流的作用。另一部分是勵磁電流分量，主要產生主磁通，在空載運行和負載運行時，該勵磁分量均不變化。勵磁電流分量就如同抽水泵中必須保持有適量的水一樣，若抽水泵中無水，它就無法產生真空效應，大氣壓就無法將水壓上來，水泵就無法正常工作；只有給水泵中加適量的水，讓水泵排空，才可正常抽水。在整個抽水過程中，水泵中保持的水量又是不變的。這就是，勵磁電流在變壓器中必須存在，并且在整個工作過程中保持恒定。正激式變壓器和上述基本一樣，初級繞組的電流也由勵磁電流和負載電流兩部分組成；在初級繞組有電流的同時，次級繞組也有電流,初級負載電流分量去平衡次級電流，激勵電流分量會使磁芯沿磁滯回線移動。而初次級負載安匝數相互抵消，它們不會使磁芯沿磁滯回線來回移動，而勵磁電流占初級總電流很小一部分，一般不大于總電流10%,因此不會造成磁芯飽和。反激式變換器和以上所述大不相同，反激式變換器工作過程分兩步:第一：開關管導通，母線通過初級繞組將電能轉換為磁能存儲起來；第二：開關管關斷，存儲的磁能通過次級繞組給電容充電，同時給負載供電?？梢姡醇な阶儞Q器開關管導通時，次級繞組均沒構成回路，整個變壓器如同僅有一個初級繞組的帶磁芯的電感器一樣，此時僅有初級電流，轉換器沒有次級安匝數去抵消它。初級的全部電流用于磁芯沿磁滯回線移動，實現電能向磁能的轉換；這種情況極易使磁芯飽和。磁芯飽和時，很短的時間內極易使開關管損壞。因為當磁芯飽和時，磁感應強度基本不變，dB/出近似為零，根據電磁感應定律，將不會產生自感電動勢去抵消母線電壓，初級繞組線圈的電阻很小，這樣母線電壓將幾乎全部加在開關管上，開關管會瞬時損壞。由上邊分析可知，反激式開關電源的設計，在保證輸出功率的前提下，首要解決的是磁芯飽和問題。如何解決磁芯飽和問題？磁場能量存于何處？上述分析了反激式變換器的特殊性防止磁芯和的重要性，那么如何防止磁芯的飽和呢？大家知道增加氣隙可在相同AB的情況下，△IW的變化范圍擴大許多，為什么氣隙有此作用呢？由全電流定律可知：#iHdl=EIH%=NpI又：B=MoPjH-*H=B/(yo?Mr)得：B/(p0,Pr)■lm=NglB=4wXio??pr?N?I/lm (1)式中Itn為磁路長度，一般我們在開關電源中用的鐵氧體磁芯的磁路長度比較短，這樣B值會很大，容易飽和。如果加上氣隙情況家大不相同，帶氣隙磁芯的磁路有效長度為：k=lm+Mrlg 常用開關電源磁芯的Hr為1500~2000(1)式變?yōu)?B=431X10-7?Mr?N-1/14=4Jt-10'7■Pr'N?1/(2)現在我們看一個例子，臧藤仁為EI33,Np-lOOffi,Ir=0.5A；人=1500，lg=lmm,lm=76mm；當無讖搬：Bm=4wX10-7x1500X100X0.5/0.076=1.239T當有氣奧脅B「4w?10-7x1500X100X0.5/(0.076+(150)X0.001))=0.0597T由上例可知，同一個磁芯在電流不變的條件下，僅增加1mm氣隙,加氣隙的磁感強度僅為不加氣隙的磁感應強度的4.8%,看來效果相當明顯。加了氣隙后，是否會影響輸出功率呢？換句話說，加了氣隙變壓器還能否儲原來那些能量呀？看一下下面的例子就知道了：在上述文中已討論過，當開關管導通時，次級繞組均不構成回路,此時，變壓器象是僅有一個初級繞組帶磁芯的電感器一樣，母線將次級需要的全部能量都存在這個電感器里。如下圖1就是一個有氣隙的電感器：UiAeUiAe圖1表示一個磁芯長為1m,氣隙長為1g,截面積為Ae的磁芯，在其上繞N匝線圈，當輸入電壓為Ui時，輸入功率為WiVW=/otoUi-id^ (3)假若忽略線圈電阻，這個能量必然以磁能Wm的形式存于電感中:

即：Wm=Wi=/()uUi?域 (4)k圖2圖2為磁路的磁化曲線，假設當t=ta時，j=ia,匐域W=Wa；忽略線圈電阻，那么線圈的自感電動勢e和U相等，根據法拉第電磁感應定律可知：U=e=Nd4>/dt=dV/dt (5)代Wm=/oudW/dt=/o%jdV(6)6式右邊的積分為圖2中陰影部分面積A,即就是說：磁場能量的大小等于磁化曲線b和縱軸所圍成的面積大小。圖1中，假定磁路各部分的面積相等，磁芯各部分的磁場強度為Hm,氣隙部分的磁場強度為Hg,由全電流定律得：NI=#Hdl=Htn,Im+Hg■1g-[B/(Uo'Pr)]■1?+[B/Po]-1g⑺由7蝴： ■[Im/(Uo-+lg/Mo](8)代Wm=/or*(B/N)?Rm/(u0*Mr)+lg/Mo]d￥(9)又：W=N4>=N?Ae?BdW=N?Ae?dB (10)代一9,9式得:Wm-/ob<(B/N)?[Im/(Po-Pr)+lg/lJo]?N?Ae?Db=Ae/oB*lm/(uo?nr)?gj眼+Ae/產Jg/.oBdB=(Ae,lm/Po)ZoB*(B/uQdB+<Ae?lg^o)九時功坦, (11)11式右邊第一項是磁芯中的磁場能量，第二項是氣隙部分的磁場能量，分別用Wi和Wg表不；那么:Wg/Wi=[(Ae^lg/uo);oB4BdB]/[(Ae,lm/po)/oBi(B/pr)dB](12)若[限定Hr是不變的，那么12式變?yōu)椋喝?Wi=pr?1g/Im (13)若用上例的參數：lm=76mm,|g=lmm,ur=1500將它們代入13竣：Wg/W=1500X1"6=19.7由上面分析可知，母線通過初級繞組將電能轉換為磁場能量，儲存在磁芯加限謖部分中，其中大部分集中在氣題史。如下圖圖3圖3中，曲線m表示圖1電感器無氣隙時的磁化曲線，曲線g表示有氣隙時的磁化曲線。圖中，面積Am表示儲存在磁芯部分的磁場能量；面積Ag表示儲存在氣隙部分的磁場能量。上面講了氣隙的作用以及磁場能量在變壓器中的分布，那么，根據輸出功率如何選用磁芯呢？單端反激式變壓器設計思考（二）：磁芯尺寸和類型的選擇A、IntemationalRectifier公司一56KHz輸出功率推薦磁芯型號0--1OWEFD15SEF16EF16EPC17EE19EF(D)20EPC25EF(D)2510-20WEE19EPC19EF(D)20EE,EI22EF(D)25EPC2520-30WEI25EF(D)25EPC25EPC30EF(D)30ETD29EER28(L)30-50WEI28EER28(L)ETD29EF(D)30EER3550-70WEER28LETD34EER35ETD3970-100WETD34EER35ETD39EER40E21摘自InternationalRectifier,AN1018-“應用IRIS40xx系列單片集成開關IC開關電源的反激式變壓器設計”ELYTONE公司一100KHzwbymcs51.blog上型號輸出功率(W)<55-1010-2020-5050-100100-200200-500500-1KEIEI12.5EI16EI19EI25EI40EI50EI60-EEEE13EE16EE19EE25EE40EE42EE55EE65EFEF12.6EF16EF20EF25EF30EF32--EFD-EFD12EFD15EFD20EFD25EFD30--EPC-EPC13EPC17EPC19EPC25EPC30--EEREER9.5EER11EER14.5EER28EER35EER42EER49-ETD--ETD29ETD34ETD44ETD49ETD54-EPEP10EP13EP17EP20 RMRM4RM5RM6RM10RM12RM14--POTPOTI107POT1408POT1811POT2213POT3019POT3622POT4229-PQ PQ2016PQ2625PQ3230PQ3535PQ4040EC EC35EC41EC70摘自PowerTransformersOFF-LINESwitchModeAPPLICATIONNOTES"ConvertercircuitasafunctionofS.M.P.S.outputvoltage(Vo)andoutputpower(Po)"C、FairchildSemiconductor公司一67KHzOutputPowerElcoreEEcoreEPCcoreEERcore0-10WEI12.5EE8EPC10EI16EE10EPC13EI19EE13EPC17EE1610-20WEI22EE19EPC1920-30WEI25EE22EPC25EER25.530-50WEI28EE25EPC30EER28EI3050-70WEI35EE30EER28L70-100WEI40EE35EER35100-150WEI50EE40EER40EER42150-200WEI60EE50EER49EE60ThecorequickselectiontableForuniversalinputrange,fs=67kHzand12Vsingleoutput摘自：ApplicationNoteAN4140TransformerDesignConsiderationforoff-lineFlybackTMConvertersusingFairchildPowerSwitch(FPS)D、單端反激式變壓器磁芯的選擇公式wbymcs51.blog上Ve=5555*P/f式中：Ve——為磁芯的體積：Ve=Ae*Le；單位為：毫米立方；P 為輸入功率；單位為：瓦；f 為開關頻率；單位為：千赫茲；本公式假設：Bm=0.3T,Lg/Le=0.5%=氣隙長度/磁芯等效長度；如果Lg/Le=氣隙長度/磁芯等效長度=1%時，又如何計算呢？(請考慮)輸出功率、磁芯截面積和開關頻率決定氣隙，因為在反激式開關電源中氣隙的體積大小決定儲能的多少，頻率決定能量傳輸的快慢；如：EI25Ve=2050mm3,Ae=42平方毫米，Le=49.4mm；f=40KHz；n=0.75；Lg=0.005*49.4=0.247mm—氣隙長度Pin=Ve*F/5555=2050*40/5555=14.76W；Pout=n*Pin=0.75*14.76=11.07W;若：f=100KHz則:Pout=11.07W*(100/40)=27.675W;反激式變壓器設計思考(三)由于反激式開關電源的特殊性，在設計時要特別考慮的問題就多一些，歸納起來有如下幾點：一、任何時刻開關管上所承受的電壓都要低于它所能夠承受的最大電壓，并且要有足夠的安全裕量；以此為出發(fā)點，就確定了變壓器的變化；Ucemax=Uinmax+N-Uo+Upk+Uy式中：Ucemax一開關管所能承受的最大電壓N—變比初級匝數Np/次級匝數NsUin一直流輸入電壓最大值U。一輸出電壓Upk一漏感所產生的電壓Uy—電壓裕量此式很重要一點，就是確定了變比N,變比一確定一系列問題就確定下來；比如：反射電壓：VoR=N-Vo;占空比：D=VoR/(Vin+VoR);導通時間：Ton=D-T變比一定要選擇合適，以使電路達到優(yōu)化；若使用雙極型晶體管對其基電極的控制很重要，因為它影響著Vcemax的大?。篤ces>Vcer>Vce。;在ce間承受最高電壓時最好保證be結短接或者反偏，此時晶體管就可承受較高的反偏電壓。二、任何時刻都應保證磁芯不飽和;由于反激式開關變壓器的特殊性，磁芯飽和問題在反激式變換器的設計中尤為重要。一旦磁芯飽和，開關管瞬間就會損壞。為防止磁芯飽和反激式開關變壓器磁芯一般都留氣隙，顯著擴大磁場強度的范圍，但僅靠氣隙并不能完全解決磁芯飽和的問題，由磁感應定律很容易得出：由（1）式知：磁感應強度與輸入電壓和導通時間有關。在輸入電壓一定時，由反饋電路保證Ton的合適值。在工作過程中，根據磁飽和的形式分兩種情況：一種是：一次性飽和：當反饋環(huán)路突然失控時，在一個周期內導通一直持續(xù)，直到過大的Ip使磁芯飽和而使開關管立即損壞；另一種是：逐次積累式飽和：磁芯每個周期都有置位與復位動作，反激式開關電源磁芯置位是由初級繞組來實現，磁芯復位是由次級繞組和輸出電路來實現。當電路等設計不當時，每次磁芯不能完全復位，一次次的積累，在若干周期內磁芯飽和。就像吹氣不一樣，一口氣吹破就相當磁芯一次性飽和；每吹一次，就排氣，但每次排氣量都比進氣量少一點，這樣循環(huán)幾次后，氣球就會被撐破的；若每次充排氣量相同，氣球就不會破的，磁芯也是如此，如下圖：B磁芯從a-b-c為置位，從c-d-a為復位，每個周期都要回到a,磁芯就不會飽和。對于反激式開關電源的斷續(xù)模式，磁芯復位一般是不成問題的。三、始終保持變換器工作于一個模式如CCM或DCM；不要在兩個模式之間轉換，這兩種模式不同，對反饋回路的調節(jié)電路要求也不同，在考慮某一種模式而設計的調節(jié)電路，如運行到另一模式時易引起不穩(wěn)定或者性能下降。四、保證最小導通時間不接近雙極性開關管的存儲時間；（MOSFET管例外）在設計反激式開關電源時，特別在開關電源頻率較高、直流輸入電壓最高，負載又較輕時，開關導通時間Ton最小，若這個時間接近或小于雙極性晶體管的存儲時間5rs~1.Ops時，極易造成開關管失控，而使磁芯飽和。此時就要重新審視開關頻率的選擇，或能否工作于如此高電壓或者通過調節(jié)占空比來適應?；蛘哌x用其他電路拓撲。五、不要將變換器的重要元件的參數選得接近分布參數；具體來說，電阻不要太大，電容器和電感器不要太小。（1）許多反激式開關電源都有一個振蕩頻率，由IC芯片提供，如UC3842,由RC決定，當把R選擇太大，C太小時，就易使穩(wěn)定性特別差；如電容C小得接近分布參數，也就是說取掉該電容由線路板及其它元件間的分布參數而形成的容值都和所選的電容容值差不多；或者所選電阻太大以至于線路板上的漏電流所等效的阻值都和所選的電阻大小差不多；這將造成工作不穩(wěn)定，如溫度或濕度變化時其分布參數也跟著變化，嚴重影響振蕩的穩(wěn)定性。R一般不要大于1M歐，C一般不要小于22PF。 （2）反激式開關電源的輸出功率如下式：（DCM）注意：由于筆誤，應為:U2=U*U,D2=D*D由（2）式可知：在電流斷續(xù)模式時，當電壓和頻率固定的情況下,輸出功率和變壓器的初級電感成反比。即要增加功率就要減小初級繞組的電感量。反激式開關變壓器的特殊性：當開關管導通時變壓器相當于僅有初級繞組的一個帶磁芯的電感器，當這個電感器小到一定值時就不可太小了，當小至和分布電感值差不多時，這樣變壓器的參數就沒有一致性，工作穩(wěn)定性差，可能分布參數的變化都會使整個電感值變化一少半，電路的可靠性就無從談起。初級電感值至少應是分布電感的10倍以上。（3）同樣道理，磁芯的氣隙也不可選的太少，太小的話，磁芯稍微的變動（如熱脹冷縮）對氣隙來說都顯得占的比例很大，這樣的變壓器就無一致性可言，更無法批量生產。六、反激式變換器的輸出濾波電容比起其它拓撲形式的電路所受的沖擊更大，它的選擇好壞對整個電源的性能及壽命有舉足輕重的作用。選擇時，一般是按紋波電壓要求初選電容值，用電容的額定紋波電流確定電容值，這樣比較安全穩(wěn)妥。當然，耐壓值和溫度等級也要足夠。七、降低損耗，遏制溫升，提高效率，延長壽命開關電源內部的損耗主要分四個方面：（1）開關損耗如：功率開關，驅動；（2）導通損耗如：輸出整流器，電解電容中電阻損耗；（3）附加損耗如：控制IC,反饋電路，啟動電路，驅動電路;（4）電阻損耗如：預加負載等；在反激式開關電源中，功率開關和驅動以及輸出整流部分占損耗的90%多，磁性元件占5%,其它占5%；損耗直接影響效率，更影響電源的穩(wěn)定性和工作壽命。損耗都以發(fā)熱而表現出來，晶體管和電容和磁性元件都對溫度很敏感；下面看一下溫度的影響：（1）溫度每升高10C,電解電容的壽命就會減半（2）在高溫和反向電壓接近額定值時，肖特基二極管的漏電很嚴重，就像陰陽極通路一樣；（3）通用磁性材料，從25c到100℃飽和磁感應強度下降30%左右；在這里，磁性材料的損耗雖然說占比例很小但是它對整個開關電源的影響非常大。比如在正常工作時，設計的最大磁通密度偏大,由于溫升的原因將使飽和磁感應強度下降，再加上反饋回路的延遲效應而使導通時間加長，極易使磁芯飽和，瞬間開關管損壞。在此設計時，最好保證銅耗接近于磁耗，初級繞組的銅耗接近于次級繞組的銅耗以達到最優(yōu)化的設計防止磁芯過渡溫升。(4)MOSFET管，每升高25C,柵極閥值電壓下降5%；MOSFET管的最大節(jié)點溫度時150C,節(jié)點溫度的理想值為105C,最高不要超過125C；MOSFET管,Rds隨溫度的升高而增大.(5)雙極型晶體管，隨溫度的升高，Vee而減小，在環(huán)境溫度較高或接近最高結溫時，晶體管的實際最高耐壓會有所下降，并且漏電流會更進一步增加，很易造成熱損耗。所以，在設計時，盡可能降低元件本身損耗而造成的溫升，也要注意遠離熱源，不因外界原因而造成溫升。更要優(yōu)化設計減小損耗，提高效率，延長元器件及整個電源的工作壽命。反激式變壓器設計實例已知條件：輸入電壓：DC:380V?700V輸出電壓：1)5V/0.5A2)12V/0.5A3)24V/0.3APWM控制論芯片選用UC2842,開關頻率:50KHz效率n：80%取樣電壓用12V,5V用7-8V電壓通過低壓差三端穩(wěn)壓塊得到；算得Po=5X0.5+12X0.5+24X0.3=15.7W計算步驟：1、確定變比NN=Np/NsVoR=N(V0+VD)N=VoR/(VO+VD)VoR取210VN=210/(12+1)=16.1取162、計算最大占空比Dmaxc 08VoRDm=——： Virnnm+VoR0.8x210-380~+210=0.283、選擇磁芯計劃選擇EE型磁芯，因此AB為0.2T,電流密度J取4A/mm2Ap=AwAe=6500XP0/(ABXJXf)=2.51X103(mm4)通過查南通華興磁性材料有限公司EE型磁芯參數。

盟日TYPE尺寸DtmMiMtfO&m)菖效部基BfftcUwPra><t<r魚量㈤帖曲ABCDmJfCLtmm&um1wmm1EEB3/BQ83334QMI36M218?02613?0J/-0.12.81956913509EEW/ll102?035N248M225327.64510J23加$11.53011￡EE13/1213.0936MU59*034.6321.830.31665012.4EE16/H161337.1325.0QA0.4321175MU1935、1856503,EE16L/26160?0412340.2510A0.44肛211.710M22M55219.7108053EE19/1619。必48(MO351OAO.S5.10AosBJ5231739.223.491043EE19L/271903.413.63351QA0.55.10/41,5B.511.4932.662.1及41430?JEE2OZ2120.5?0.510.4?0仙7M350/-0.514.76.8他1J471391S40WEE22A/2O2203410.0田加5N34QH2n?0.4X02.1539幻132065EE22B30220M4105M36QA0.5?0/-0.315.610.7M.4Q1.965.735229012.3EE3SA/302503510403669366331$368331.249.442.2208011EE25B/1925359如03644364K)318.66.4*031J48<040.41940EE28/M280M.6168331