单端正激变压器的设计 - 电源技术 - 电子工程师俱乐部

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开关电源变压器是高频开关电源的核心元件。其作用为：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。开关变压器性能的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。高频开关变压器的设计主要包括两部分：绕组设计及磁芯设计。本文将对应用在高频下的单端正激变压器的设计方法及磁芯的选择给出较为详细的论述。

1 单端正激变压器原理

单端正激变压器的原理图如图1所示。



单端正激变压器又称"buck"转换器。因其在原边绕组接通电源Vi的同时把能量传递到输出端而得名。正激式变压器的转换功率通常在50～500 W之间。输出电压Vo由匝比n、占空比D和输入电压Vi确定。



当PWM控制器输出正脉冲，功率开关导通，变压器的初级绕组通过电流，此电流由两部分组成，一部分为磁化电流即流经等效开环电感上的电流，另一部分足与输出电流等效的初级电流，他和初次级匝比成正比，和输出电流成正比。储存在电感上的能量必须在功率开关关断后下一次开启前泄放掉，以便使磁通复位。N3为去磁绕组。

2 变压器磁芯的选用原则

高频开关电源中的变压器从性能价格比考虑，MnZn功率铁氧体材料是最佳的选择。应用于高频开关电源变压器中的铁氧体应具有以下磁特性：高饱和磁通密度或高的振幅磁导率，在工作频率范围有低的磁芯总损耗，较低的温度系数，较高的居里温度。

磁芯损耗Pc主要由磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe(包括剩余损耗Pr)组成，即：



磁滞损耗Ph正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成正比关系。即：


对于工作频率在100kHz以下的功率铁氧体磁芯，降低磁滞损耗是最重要的，为降低损耗，即要降低矫顽力Hc、剩余磁感应强度。要达到此目的，须从两方面着手，一是从配方成分方面，尽量使磁晶各项异性常数k→0，磁滞伸缩常数→0；二是在工艺上要做到高密度、大晶粒、均匀完整、另相少、内应力小、气孔少。

3 单端正激变压器的设计步骤

(1)了解变压器的各项指标要求；
(2)选取磁芯材质确定△B值；
(3)计算磁芯的AP值，确定磁芯型号规格；
(4)计算初次级绕线匝数；
(5)计算线径dw。

4 设计举例

(1) 变压器相关参数

INPUT：DC，48 V，50 W；
工作频率：100 kHz；
传输效率：75％；
OUTPUT：5 V；
风冷散热：J=400A／cm2。

(2) 根据变压器对铁氧体磁芯高Bs、低功耗的要求、可选用TDK的PC40，PC44，PC50或飞利浦的3F3，3F4材料。综合考虑性价比因素，选用TDK的PC40材质。因为罐型磁芯具有较好的屏蔽，有利于解决EMI中的棘手问题--辐射，所以磁芯形状选用罐型。同时不能使局部温度太高，必须均衡放置发热元件．另外还要求较低的纹波和较高的效率，所有这些考虑使得采用正激式比较合适。

TDK PC40材料的相关参数：



考虑磁芯实际使用中由于高温效应、瞬间情况等引起Bs，Br的变化，使△B动态范围变小而出现饱和，因此设计时一般必须留出一定的安全空间，即选择：



则

(3) 计算磁芯AP值，决定磁芯规格型号



式中：Aw磁芯铜窗面积(cm2)；
Ae：磁芯有效截面积(cm2)；
Ps：变压器传递视在功率(W)；
△B：磁感应增量(T)；
f：变压器工作频率(Hz)；
J：电流密度；
Ku：铜窗占用系数取0.2。

将△B=0.25 T，f=105 Hz，J=400 A／cm2代入上式得：



查阅有关TDK DATA选用PC40P26／16Z-52H罐型磁芯，其参数如表1所示。


(4) 计算Np，Ns



(5) 检查△B选择合理性



(6) 计算线径dwp，dws






原边电流Ip：
查阅有关AWG导线规格可用AWG19线，其Axp=0.65 mm2。副边绕组：
副边绕组截面积Ss：
导线直径 ；
rp：并联根数取2；
将数据代人得：dws=0.77 mm；
查阅有关AWG导线规格可用AWG21，其d=0.785mm.

5 结 语

变压器磁芯的△B的取值对磁芯体积、损耗工作稳定性都有直接影响，导线的电流密度取值受磁芯AP值限制，决定于散热方式。最优化设计应同时考虑体积、温升、成本因素来确定。

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