采用面積乘子法設(shè)計(jì)反激式主功率變壓器

采用面積乘子法設(shè)計(jì)反激式主功率變壓器

1ac/dc電源市場(chǎng)隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高頻開(kāi)關(guān)電源的新要求不斷提出。據(jù)報(bào)導(dǎo)，全球開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)100億美元，通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品是開(kāi)關(guān)電源的三大主力市場(chǎng)。龐大的開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)主要由AC/DC和DC/DC開(kāi)關(guān)電源兩部分組成。低功率（0～300W）的AC/DC將面向增長(zhǎng)平穩(wěn)的消費(fèi)電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，大功率(750～1500W)的AC/DC電源將面向增長(zhǎng)強(qiáng)勁的電信市場(chǎng)。DC/DC電源約占整個(gè)開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的30%，但計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的快速融合,帶動(dòng)了DC/DC模塊式電源的迅速增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)今后幾年DC/DC電源模塊增長(zhǎng)速度將超過(guò)AC/DC電源，據(jù)估計(jì)，中國(guó)今后五年DC/DC電源模塊市場(chǎng)年增長(zhǎng)將達(dá)15%，增長(zhǎng)主要在電信領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)式電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是高功率密度、高效率、低噪聲以及表面貼裝化。無(wú)論是AC/DC或DC/DC電源，除了功率晶體管外，由軟磁鐵氧體磁芯制成的主變壓器、扼流圈及其它電感器(如抗噪聲濾波器)是極重要的元件，其磁性能和尺寸直接關(guān)系到電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度等。在變壓器設(shè)計(jì)中，主要包括繞組設(shè)計(jì)和磁芯設(shè)計(jì)。本文主要介紹單端反激式電路以及該電路中高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。2dcm/ccm模式單端反激式變壓器又稱電感儲(chǔ)能式變壓器，圖1為其工作原理簡(jiǎn)圖。當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)管Q1被脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation,PWM）脈沖信號(hào)激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓施加到高頻變壓器T的原邊繞組上，在變壓器次級(jí)繞組上感應(yīng)出的電壓使整流管D1反向偏置而阻斷，此時(shí)電源能量以磁能形式存儲(chǔ)在初級(jí)電感中；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒，使D1導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量釋放給負(fù)載。單端反激式變壓器一般工作于兩種工作方式：（1）斷續(xù)電流模式（DCM）或稱“完全能量轉(zhuǎn)換”：三極管導(dǎo)通（ton）時(shí)儲(chǔ)存在變壓器中的所有能量在反激周期三極管斷開(kāi)(toff)中都轉(zhuǎn)移到輸出端；（2）連續(xù)電流模式（CCM）或稱“不完全能量轉(zhuǎn)換”：儲(chǔ)存在變壓器中的一部分能量在三極管斷開(kāi)（toff）末保留到下一個(gè)三極管導(dǎo)通（ton）周期的開(kāi)始。DCM和CCM在小信號(hào)傳遞函數(shù)方面是極不相同的，其波形如圖2所示。實(shí)際上，當(dāng)變壓器輸入電壓Uin或負(fù)載電流IL在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，必然跨越這兩種工作方式。因此反激式變壓器要求在DCM/CCM都能穩(wěn)定工作，但在設(shè)計(jì)上是比較困難的。通常我們可以DCM/CCM臨界狀態(tài)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，并配以電流模式控制PWM，此法可有效解決DCM時(shí)的各種問(wèn)題。但在CCM時(shí)沒(méi)有消除電路固有的不穩(wěn)定問(wèn)題?？捎谜{(diào)節(jié)控制環(huán)增益偏離低頻段和降低瞬態(tài)響應(yīng)速度來(lái)解決CCM時(shí)因傳遞函數(shù)“右半平面零點(diǎn)”引起的不穩(wěn)定。因此，即變壓器原邊繞組磁通必須等于副邊繞組磁通。比較圖2中DCM與CCM中電流波形可以知道，DCM狀態(tài)下在變壓器ton期間，整個(gè)能量轉(zhuǎn)移波形中具有較高的原邊峰值電流，這是因?yàn)槌跫?jí)電感值Lp相對(duì)較低，使Ip急劇升高，所造成的負(fù)效應(yīng)是增大了繞組損耗(windinglose)和輸入濾波電容器的紋波電流，從而要求開(kāi)關(guān)晶體管必須具有高電流承載能力才能安全工作。在CCM狀態(tài)中，原邊峰值電流較低，但開(kāi)關(guān)晶體管在三極管導(dǎo)通（ton）狀態(tài)時(shí)有較高的集電極電流，因此導(dǎo)致開(kāi)關(guān)晶體管高功率消耗。同時(shí)為達(dá)到CCM就需要有較高的變壓器原邊電感值Lp，在變壓器磁芯中所儲(chǔ)存的殘余能量則要求變壓器的體積較DCM時(shí)要大，而其他系數(shù)是相等的。綜上所述，DCM與CCM變壓器的設(shè)計(jì)是基本相同的，只是原邊峰值電流的定義有些區(qū)別(CCM時(shí)Ip=Imax-Imin)。3儲(chǔ)、壓、能量傳遞產(chǎn)品：充壓電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)波單端反激開(kāi)關(guān)電源的變壓器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)耦合電感，它要承擔(dān)著儲(chǔ)能、變壓、傳遞能量等工作，其波形如圖3所示。下面對(duì)工作于連續(xù)模式和斷續(xù)模式的單端反激變換器的變壓器設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。3.1線路輸出電壓計(jì)算這些參數(shù)由設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶的需求和電路的特點(diǎn)確定，包括：輸入電壓Uin、輸出電壓Uout、每路輸出功率Pout、效率η、開(kāi)關(guān)頻率fs(或周期T)、線路主開(kāi)關(guān)管的耐壓Umos。3.2變壓器aw、ae的確定在反激變換器中，副邊反射電壓即反激電壓Uf與輸入電壓之和不能高于主開(kāi)關(guān)管的耐壓，同時(shí)還要留有一定的裕量(此處假設(shè)為50V)。反激電壓由下式?jīng)Q定：反激電壓和輸出電壓的關(guān)系由原、副邊的匝比確定。所以確定了反激電壓之后，就可以確定原、副邊的匝比：另外，反激電源的最大占空比出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)，根據(jù)在穩(wěn)態(tài)下變壓器的能量平衡，有：設(shè)在最大占空比時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，原邊電流為Ip1，當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，原邊電流上升到Ip2。若Ip1為0，則說(shuō)明變換器工作于斷續(xù)模式，否則工作于連續(xù)模式?；谀芰渴睾憧傻茫阂话氵B續(xù)模式設(shè)計(jì)，我們令I(lǐng)p2=3Ip1。這樣就可以求出變換器的原邊電流，由此可以得到原邊電感：對(duì)于連續(xù)模式，ΔIp=Ip2-Ip1=2Ip1；對(duì)于斷續(xù)模式，ΔIp=Ip2?？捎葾wAe法求出所需磁芯：式中，Aw為磁芯窗口面積，單位為cm2;Ae為磁芯截面積，單位為cm2;Lp為原邊電感量，單位為H;Ip2為原邊峰值電流，單位為A;Bw為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T;K0為窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決定，一般為0.2～0.4;Kj為電流密度，一般取395A/cm2。根據(jù)求得的AwAe值選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長(zhǎng)寬之比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減小漏感。確定了磁芯就可以求出原邊的匝數(shù)。根據(jù)：再根據(jù)原、副邊的匝比關(guān)系可以求出副邊的匝數(shù)。若求出的匝數(shù)不是整數(shù)，這時(shí)應(yīng)該調(diào)整某些參數(shù)，使原、副邊的匝數(shù)合適。為了避免磁芯飽和，應(yīng)該在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?，?jì)算如下：式中，lg為氣隙長(zhǎng)度，單