反激式变压器的设计(7页).doc

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1、-反激式变压器的设计 反激式变压器的工作与正激式变压器不同。正激式变压器两边的绕组是同时流过电流的，而反激式变压器先是通过一次绕组把能量存储在磁心材料中，一次侧关断后再把能量传到二次回路。因此，典型的变压器阻抗折算和一次、二次绕组匝数比关系不能在这里直接使用。这里的主要物理量是电压、时间、能量。 在进行设计时，在黑箱估计阶段，应先估计出电流的峰值。磁心尺寸和磁心材料也要选好。这时，为了变压器能可靠工作，就需要有气隙。 刚开始，在开关管导通时把一次绕组看作是一个电感器件，并满足式(24)。 (24)把 Lpri移到左边， 用Ton=Dmax/f 代到上式中，用已知的电源工作参数，通过式(25)就

2、可以算出一次最大电感最大占空比(通常为50或0.5)。 (25) 这个电感值是在输入最小工作电压时，电源输出仍能达到额定输出电压所允许选择的最大电感值。 在开关管导通的每个周期中，存储在磁心的能量为： (26)要验证变压器最大连续输出的功率能否满足负载所需的最大功率，可以使用下式：(27) 所有磁心工作在单象限的场合，都要加气隙。气隙的长度(cm)可以用下式近似(CGS制(美国)： （28a）式中Ac有效磁心面积，单位为 ； Bmax最大磁通密度，单位为G(Wbcm )。 在MKS系统(欧洲)中气隙的长度(m)为 (28b)式中Ac有效磁心面积，单位为 ； Bmax最大磁通密度，单位为T(Wb

3、m )。 这只是估算的气隙长度，设计者应该选择具有最接近气隙长度的标准磁心型号。 磁心制造厂商为气隙长度提供了一个AL的参数。这参数是电感磁心绕上1000匝后的数据(美国)。根据设计好的电感值，绕线的匝数可以用式(29)计算确定。 (29)式中 Lpri一次电感量，单位为mH。 如果有些特殊的带有气隙的磁心材料没有提供AL。的值，可以使用式(30)。注意不要混淆CGS和MKS两种单位制(G和cm与T和m)。 (30) 现在就用式(3- 31)来确定输出最大功率时的二次绕组匝数。 (31)式中 Dmax最大占空比(通常为50)。 式(31)算出来的结果应该看作是最大的匝数，因为匝数越多的话，二次

4、电感量也越大，因此把磁心的能量释放完需要更长的时间。这样算出来的结果往往不是整数，而很多磁心是不支持带小数的匝数，这就要在磁心允许的范围内选取最接近这个小数的整数。 确定其余输出绕组的匝数，可以用设计正激式变压器的方法见式(22)。同样，如果输出的电压值与理想的输出电压值的误差超标的话，也需要进行反复设计。先把原来的二次绕组匝数拿掉一匝，重新计算输出电压(包括整流桥的正向压降)。最终，输出电压总是会有些误差存在的。 (22) 式中 Vout(n)另外的输出电压； VD预计的输出整流器的正向压降。 现在要考虑二次绕组的安排了。设计者可能会选用自耦变压器式的二次绕组(也就是低压绕组的绕线是共用的)

5、或隔离式二次绕组。由于反激式的二次侧是半波整流的，所以非中间抽头的绕组或全波整流桥是不能用的(见图19)。一旦要设计的二次绕组的绕法确定后，就要检查磁心的窗口面积是否能装下这个绕组。这同样也可以按式(23)来检验。 (23)式中，k 取1.21.4之间的值，这是考虑到绕组余量和绝缘层的缘故。 图19 在反激式变换器中，变压器的物理结构设计也是比较苛刻的。如果设计不当，会产生电压尖峰，这会影响半导体器件的可靠工作(见本文-基极和栅极的驱动变压器)。 正激式滤波扼流圈的设计 正激式滤波扼流圈就是正激式变压器的每个输出端上的滤波电感。它的目的是当开关管关断时，为负载存储能量。电气上的作用就是把开关方

6、波脉冲积分成直流电压。 滤波电感的设计比较简单。首先要选好磁心。通常这种场合用钼镍铁合金(mopermalloy)磁环，这是因为这种材料本身内部有气隙。当然用有气隙的铁氧体磁心也是可以的。如果要用有气隙的铁磁心，请参照本文-升压式变换器单匝绕组电感的磁心尺寸设计方法进行设计。下面就是采用钼镍铁合金磁环进行滤波电感设计的步骤。 首先用式(32)确定输出所需的最小电感 (32)式中 Vin(max)对应的输出端上整流器后的最高峰值电压； Vout 输出电压； Ton(est) 估计的最大输入电压下，开关管导通时间(1/ fop的30是比较好的估计)； Iout(min) 预先知道的输出端上负载最小

7、电流。 这个值就是电感的最小值，如果低于这个值，在输出端上流过最小额定负载电流时，电感电流会发生断续。 对钼镍铁合金磁环来说，可以通过计算存储在磁心中的能量平均值来估计需要的磁心尺寸。能量的平均值用式(33)计算。 (33) 参考图20，确定z轴的位置，在这个位置上垂直上移，直到和第一条曲线相交。然后水平看过去，读出磁心型号。参考该型号的数据手册，查到这个磁心的 值，设计者就可以根据式(29)计算出所需的绕组匝数。总之，通过电感的电流平均值越大的话，就使用越低的磁导率的MPP磁心材料。 图20 接下来检查磁环的窗口面积是否能绕下这些匝数。绕组占用磁环窗口面积的百分比由下式决定： (34)式中

8、Awire绕组导线的横截面积(参考附录F中的导线规格表)( in2或m2 )； Awindow 磁环可以提供的绕线面积(窗口面积)( in2或m2 )； N绕组匝数。 如果这个值为40一50，那么绕组占的窗口面积太大了。这是因为绕线梭要从余下的空间中穿过，如果余下的窗口空间小于50，绕线梭就无法穿过。解决的办法是选用尺寸更大的磁心或把导线的线径减小一号。后一种方法会因为铜损的增加而使电感发热量增加。 最后，如果电源在高频下工作，并且流过滤波器的电流较大，则可以考虑用编织线(1itz wire)。这是因为编织线是由很多细的导线绞合成一股的，集肤效应小。对于相同导电截面积，编织线的直径要比单股线要

9、大。 相互耦合的正激式滤波扼流圈的设计 在多组输出的正激式变换器中，输出电压互补时(如+/-5v等)，可以把扼流圈做在同一个磁心上(见图21)。这样做有一些好处：可以节省空间，提高输出的交叉调整性能，每个输出端电压的纹波也比较理想。 图21首先要选好磁心的类型和材料，这部分与单输出滤波扼流圈的设计相同。可以用钼镍铁合金磁环(见本文-正激式滤波扼流圈的设计)或用铁氧体磁心(见本文-确定磁心的尺寸)。对于钼镍铁合金磁环，确定需要的磁心尺寸，把两个输出负载的电流叠加起来后，选用符合这个电流要求的导线规格，并用式(33)计算磁环大小。所需的磁心窗口面积设为单绕组扼流圈时的两倍。扼流圈的绕组匝数是由最小

10、的电感值和最小输出电流下所需的匝数确定的。这两个值可以用式(32)和式(29)来计算。另一个绕组的匝数与该绕组相同。这两个绕组要用双绞线，也就是在把导线绕到磁心或骨架上之前，先把它们绞在一起，这就保证它们的匝数是一样的，相同的匝数对扼流圈的工作是很重要的。对于#22 AWG(AWG为美国线规)导线来说，每英寸绞三圈，这种绞合程度是比较合适的。线径越大，绞合程度越低。两个绕组产生的磁通在磁心中叠加在一起。由于绕组一样(如绕线方向相同)，两组电源的输出极性相反，所以同名端要标在电感的两端(见图21)。如果把绕组的极性接错的话，这两个绕组互相影响，会使整个电源损坏。滤波扼流圈的磁心上可以绕上更多的绕组，但是这里不推荐这种做法。如果绕组的匝数不准确，每组输出匝数误差一匝，就会使电源的效率损失约1。建议每对互补输出端共用一个耦合滤波电感，并采用所介绍的输出交叉检测方法。-第 7 页-