反激變壓器設(shè)計實例(一)

反激變壓器設(shè)計實例（一）版本修訂人備注01目錄1. 導(dǎo)論 22. 磁芯參數(shù)和氣隙的影響 22.1AC極化 32.2AC條件中的氣隙影響 32.3DC條件中的氣隙影響 33.110W反激變壓器設(shè)計例子 43.1步驟1，選擇磁芯尺寸 43.2步驟2，選擇導(dǎo)通時間 63.3步驟3，變換器最小DC輸入電壓的計算 63.4步驟4，選擇工作便宜磁通密度 63.5步驟5，計算最小原邊匝數(shù) 73.6步驟6，計算副邊匝數(shù) 73.7步驟7，計算附加匝數(shù) 83.8步驟8，確定磁芯氣隙尺寸 83.9步驟9，磁芯氣隙尺寸（實用方法） 93.10步驟10，計算氣隙 93.11步驟11，檢驗磁芯磁通密度和飽和裕度 104反激變壓器飽和及暫態(tài)影響 11導(dǎo)論由于反激變換器變壓器綜合了許多功能（儲存能量、電隔離、限流電感），并且還常常支持相當(dāng)大的直流電流成分，故比直接傳遞能量的正激推挽變壓器的設(shè)計困難得多、以下變壓器設(shè)計例子中沒選擇過程使用反復(fù)迭代方法，無論設(shè)計從哪里開始沒開始時須有大量近似的計算。沒有經(jīng)驗工程師的問題是要得到對控制因數(shù)的掌握。特別的，磁芯大小、原邊電感的選擇、氣隙的作用、原邊匝數(shù)的選擇以及磁芯內(nèi)交流和直流電流（磁通）成分的相互作用常常給反激變壓器設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。為使設(shè)計者對控制因數(shù)有好的感覺，下面的設(shè)計由檢查磁芯材料的特性和氣隙的影響開始，然后檢查交流和直流磁芯極化條件，最后給出100W變壓器的完整設(shè)計。磁芯參數(shù)和氣隙的影響圖1表示一個鐵氧體變壓器在帶有和不帶氣隙時典型的B/H（磁滯回歸線）環(huán)。注意到雖然B/H環(huán)的磁導(dǎo)率（斜率）隨氣隙的長度變化，但磁芯和氣隙結(jié)合后的飽和磁通密度保持不變。進一步，在有氣隙的情況下，磁場強度H越大，剩磁通密度Br越低。這些變化對反激變壓器非常有用。圖1.不同情況下磁芯的磁滯回歸曲線圖2只表示了反激變壓器使用的磁滯回環(huán)的前四分之一，也表示了磁芯中引入氣隙所產(chǎn)生的影響。最后，改圖表示了極化條件對直流和交流影響之間的差異。圖4.N27鐵氧體材料的靜態(tài)磁化曲線圖（來源于TDKEpcos）3.2步驟2，選擇導(dǎo)通時間原邊功率晶體管Q的最大導(dǎo)通時間出現(xiàn)在最小輸入電壓和最大負(fù)載時。對本例，假設(shè)最大導(dǎo)通時間不能超過總的工作周期的50%（后面可以看到，使用特別的控制電路和變壓器設(shè)計時最大導(dǎo)通時間是可以超過50%的）。實例頻率30KHz周期33us半周期16.5us留有裕量以使控制保持在合適的最小輸入電壓，因此可用周期是16us。因此t3.3步驟3，變換器最小DC輸入電壓的計算計算變換器工作于滿載和最小電源輸入電壓時的輸入DC電壓Vcc對于輸入電容整流濾波器，DC電壓不能夠超過輸入電壓有效值的1.4倍，也不可能小于輸入電壓有效值的1.2倍。該電壓的確切計算很困難，因為它取決于許多不確定的因數(shù)，如電源線路的源阻抗、整流器電壓降、儲能電容值及其特性以及負(fù)載電流。該例中使用1.3倍的輸入電壓有效值（使用倍壓時再乘以1.9），將給出在彌漫在時相當(dāng)近似的Vcc工作值實例線路輸入為90V有效值，則DC電壓Vcc將90×1.3×1.9=222V3.4步驟4，選擇工作便宜磁通密度對于E42/20磁芯，根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)，中心磁芯的有效面積是240mm2。飽和磁通密度100℃時是360mT。工作磁通密度的選擇要綜合考慮，反激頻率在中頻范圍內(nèi)盡可能搞，以便從磁芯得到最好效益和最小銅損耗。對于典型的鐵氧體磁芯材料和形狀，工作頻率上升到30KHz，即便選擇最大的磁通密度，反激變壓器的銅損耗通常超過磁芯損耗，這樣的設(shè)計為“飽和限制”。因此在該例中選擇最大磁通密度，可是要保證磁芯在任何條件下都不飽和，如在最低工作頻率下使用最大脈寬。在下面的設(shè)計方法中，不完全能量變換器可能存在最小電源電壓輸入和最大負(fù)載的工作條件。如果這種情況出現(xiàn)，將會出現(xiàn)來自變壓器磁芯有效DC成分的感應(yīng)現(xiàn)象?？墒牵旅胬颖砻鳟?dāng)使用大氣隙時，來自DC成分的影響很小，因此工作磁通密度選擇在220mT，以提供較好的工作裕量。因此該例最大峰峰交流磁通密度Bac選擇在220mT在設(shè)計最后要檢查總的交流和DC磁通密度，以保證磁芯在高溫時不會飽和。對于不同的磁通量，可能需要重復(fù)設(shè)計。3.5步驟5，計算最小原邊匝數(shù)在一個單的導(dǎo)通周期內(nèi)使用伏秒方法，可以計算最小原邊匝數(shù)，因為施加的電壓是方波：N其中，Nmin=V=Vcc（施加的t=導(dǎo)通時間，單位是us；?Bac=最大的ac磁通密度，單位是TAe=磁芯的最小橫街面積，單位是mm實例對于最小電源電壓（90V有效值）和16us的最大脈寬N因此，N3.6步驟6，計算副邊匝數(shù)在反激相期間，儲存在磁場的能量會傳遞到輸出電容和負(fù)載。再次使用伏秒方程來確定傳遞所需的時間。如果原邊的反激電壓與施加的電壓相等，則獲取能量說話的時間等于輸入該能量所花的時間，故該例為16us。因此若忽略附加的漏感，開關(guān)管集電極上的電壓僵尸電源電壓的兩倍。實例在次很方便的得到每匝伏特數(shù)。原邊V/匝=V主控制電路要求的輸出電壓是5V，允許整流二極管有0.7V的電壓降和相關(guān)電路及變壓器副邊的0.5V電壓降，變壓器副邊的電壓應(yīng)為6.2V，因此副邊匝數(shù)是N在此，Vs=Ns=V/N=每匝伏特數(shù)。對于低電壓、大電流的副邊，除非采用特殊技術(shù)，否則要避免半匝，因為E型磁芯的一相可能出現(xiàn)飽和，使變壓器調(diào)節(jié)變差。因此匝數(shù)應(yīng)為最接近的整數(shù)。在本例中，匝數(shù)為3。3.7步驟7，計算附加匝數(shù)該例中，副邊匝數(shù)為3，反激電壓將小于正向電壓，新的反激電壓每匝VfbN為未出伏秒值，占空比必須按比例變化：t在此，ton=Q導(dǎo)通時間P=總周期，單位是us；Vfb/NV/N=原邊每匝正向電壓則計算的副邊匝數(shù)保留到最接近的半圈。實例對于12V輸出，在此，Vs=13V（允許1V的繞組和整流器壓降Vfb/N對于那些附加的輔助輸出（與主輸出相比，其提供的電流小，mmf低）可以使用半匝。還有，外側(cè)的氣隙要保證側(cè)邊維持的附加mmf不會飽和。如果只有中心相磁芯有氣隙，除非使用特殊技術(shù)，否則不應(yīng)使用半匝繞組。本例中，12V輸出使用6匝，此時輸出將多出0.4V3.8步驟8，確定磁芯氣隙尺寸一般考慮。圖5表示一個典型鐵氧體材料完全磁滯回環(huán)帶有氣隙和沒帶氣隙的情況。應(yīng)注意，有氣隙的磁芯要求較大的磁化力H值才能引起磁芯飽和，因此將會經(jīng)手較大的DC電流成分。再者，剩余磁通密度Br很低，使磁芯磁通密度?B有較大的工作范圍。可是，導(dǎo)磁率低，使每匝電感較小（較小的AL值）和根據(jù)現(xiàn)有鐵氧體磁芯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和材料，發(fā)現(xiàn)反激單元工作在20KHz以上時，氣隙不需變化。在該設(shè)計中已考慮了完全和非完全能量傳遞模式的選擇，該選擇可以由選擇合適的原邊電感來實現(xiàn)。調(diào)節(jié)氣隙尺寸可以改變原邊電感。圖5.b表示增加氣隙將降低磁導(dǎo)率和減少電感。氣隙的另一有用特征是在H=0時，剩余磁通密度Br在由氣隙時很低，使磁通密度有較大的工作范圍。最后，小的磁導(dǎo)率減小了由磁芯中DC現(xiàn)在選擇工作模式。圖5表示三種可能的模式。圖5.a是完全能量傳遞模式?？梢允褂?，但應(yīng)注意到在傳遞相同能量時峰值電流非常高。這種工作模式可引起開關(guān)晶體管、輸出二極管和電容上的最大損耗，也在變壓器自身內(nèi)部引起最大銅損耗（I2R）。圖5.b表示在非完全能量傳遞模式時，具有大電感和低電流斜率的情況。雖然這毫無疑問具有最低的損耗，但對于大多數(shù)鐵氧體材料磁芯，大的DC磁化成分和高磁芯導(dǎo)磁率會導(dǎo)致磁芯飽和。圖5.c表示號的折中工作條件，具有可接受的峰值電流和三分之一峰值的有效圖5.反激變換器中原邊電流波形完全能量傳遞模式非完全能量傳遞模式（最大的原邊電感）非完全能量傳遞模式（優(yōu)化的原邊電感）3.9步驟9，磁芯氣隙尺寸（實用方法）下面使用簡單使用的方法確定氣隙。在磁芯中加入0.02in的小氣隙。用手動脈寬控制和在變壓器原邊加入試探電流來進行功率實驗。使用額定的輸入電壓和負(fù)載。逐漸增加脈寬，小心觀察電流特性的形狀，使磁芯不要飽和，直到得到需要的輸出電壓和電流。注意電流特性的斜率，調(diào)整氣隙可得到需要的斜率。這是得到合適氣隙的快速方法，并不需要Hanna曲線。雖然氣隙可由其他方法計算，但仍可能需要剛才的調(diào)試方法。這是調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)程序，因為變壓器可能在高溫或暫態(tài)條件下不能按期望工作而使電源失敗。3.10步驟10，計算氣隙圖5中，原邊電感可以由電流波形的斜率（?i?tV實例

圖5中，ip2=3因此，i輸入功率130W，因此可以計算整個周期的平均電流IaI因此導(dǎo)通周期的平均電流是I導(dǎo)通周期內(nèi)的電流變化?i是2L一旦知道原邊電感Lp和匝數(shù)Np，對于所選磁芯，如果這些是有效的，可以使用Hanna曲線（或A如果無有效數(shù)據(jù)，而且氣隙較大（大于磁路長度的1%），假定所有的磁阻都在氣隙中，用下式計算保守的氣隙尺寸：α=μrNp2在此，α=氣隙總長度，單位是mm；μrNpAe=磁芯面積，單位是mm2;Lp=原邊電感，單位是實例α=4π×10注意：如果氣隙正好穿過磁芯，使用α/2（在一些情況中，外側(cè)磁芯的面積與中心面積并不相等，故必須進行調(diào)節(jié)）。3.11步驟11，檢驗磁芯磁通密度和飽和裕度為保證在磁芯的最大工作值和飽和值之間有足夠的裕量，需要檢驗磁芯的最大磁通密度。在任何條件下，包括瞬間負(fù)載和高溫，防止磁芯飽和時很重要的。這可以用兩種方法來檢驗：在變換器中進行測量或計算。注意：建議無論使用何種設(shè)計方法，都應(yīng)進行該檢驗，以保證最后產(chǎn)品能夠滿足要求。在控制仍能維持的情況下，使輸入電壓為最小值——本例為85V。設(shè)置輸出負(fù)載為最大功率限定值。測量原邊繞組P1的電流值，減小工作頻率直到飽和開始（表示為在電流脈沖結(jié)束時有上翹）。在這些條件下增加的導(dǎo)通時間與平常導(dǎo)通時間之比的百分?jǐn)?shù)，就是平常工作時磁通密度裕量的百分?jǐn)?shù)。該裕量在磁通水平為高溫時會降低（見圖4），允許10%計算磁芯飽和裕量使用伏秒方程，計算交流磁通Bac，Bac=在此，V=Vcc，單位是V；t=導(dǎo)通時間，單位是us；Np=原邊匝數(shù)；Ae=磁芯面積，單位是mmBac=交流峰值磁通密度，單位是T。注意：要求磁通密度Bac是變化的以支持所施加的電壓脈沖，并不包括任何DC實例B使用螺線管方程和有效DC分量IDC（表示為導(dǎo)通初期電流的幅值），計算DC分量BDC。假定磁芯的所有磁阻都集中在氣隙，那么將得到明顯較高的DC磁通密度保守值。使用螺線管方程可得其近似值。BDC=在此，V=Vcc，單位是V；Np=IDC有效DC電流，單位是Aα=氣隙總長度，單位是mm；BDC=DC磁通密度，單位是T實例

BAC和DC磁通密度的疊加使磁芯出現(xiàn)峰值，在100℃時在此檢測磁芯材料的特性。實例B4反激變壓器飽和及暫態(tài)影響注意：磁芯磁通水平是在最小輸入電壓和最大脈寬條件下選擇的，可見保留了磁芯在高輸入電壓下飽和的弱點。可是，在高電壓條件下傳送功率所需的脈寬將相應(yīng)變窄，變壓器將不會飽和。在瞬態(tài)負(fù)載條件下，當(dāng)電源輕載而又工作于高輸入電壓時，如果需要突然增加負(fù)載，控制放大器將立刻加寬驅(qū)動脈沖以提供附加功率。結(jié)果在一短的時間段內(nèi)輸入電壓和脈寬都為最大，變壓器將會飽和，這將導(dǎo)致失敗。為防止這種情況，應(yīng)考慮以下幾點。在較高電壓和最大脈寬條件下設(shè)置變壓器。這要求較低的磁通密度和較多的原邊匝數(shù)。