正激式高频变压器的设计

电子报/2007年/8月/5日/第012版

资料

正激式高频变压器的设计

成都立新

由于高频变压器在开关电源中已被广泛的使用，所以，高频变压器的设计是一重要课题。

按照高频变压器的工作方式，可分为正激式和反激式两种。高频变压器工作时是利用一电子开关的高速通断，从而使变压器进行能量传输。当电子开关导通时，变压器进行能量传输，称为正激式；反之，即电子开关截止时，变压器进行能量传输，称为反激式。

这里，笔者介绍正激式高频变压器的设计方法，如图1所示。该变压器一般设计的使用功率为50～500W。图1中已标明变压器T各绕组安装时规定的同名端，以便以下分析。

当功率开关管M1接通时（给M1栅极上外加脉冲开关信号，在变压器T的主绕组N1中有电流通过），其自感电动势a点为＋，b点为－，这样在变压器的N1中就储存了磁能。该能量传输到次级绕组N2上（e点为＋，f点为－），使二极管D2正向偏置，有电流通过D2、电感L和负载RL。而此时D3是处于反向偏置，所以无电流通过D3。

当功率开关M1截止时（M1栅极开关信号为“0”电平），变压器T所有绕组以及L的感应电压都反向，D2也处于反向偏置状态。由于电感器L的电流不能突变，D3（是续流管）导通，负载RL仍有电流通过。此时，次级绕组中无电流通过。由此可见，变压器T从初级到次级的能量传输是在开关M1导通时完成的，这一过程通常称为正激式变换（反之，若上述的能量传输是在M1截止时完成，称为反激式变换，这里不讨论）。

在上述的变压器T正激式变换中，为了避免变压器T或电感器L产生饱和，要求开关管M1导通时的电压与时间的乘积（U×T）应等于M1截止时的反向电压与时间的乘积。为此，设定M1时间为T ON，T初级绕组电压设为Uin （初级绕组电流由N1的a流到b），由此时的电压×时间：Uin×Ton……（1）。

然而，当电子开关M1截止时，没有电流流过变压器T，结果是电压与时间的乘积就会不平衡，这种不平衡将导致变压器T饱和。为了解决变压器可能饱和的问题，在变压器T中增加了第三绕组N3和一只快恢复二极管D1。抗饱和的工作原理是当M1瞬时截止时，第三绕组N3的感应电压。c～d反向，此时c点为正，d点为负，且其感应电压高于Uin，因此D1开始导通，这就平衡了铁芯的电压和时间的乘积，这一过程称为铁芯的去磁或复位。

设N1、N2、N3分别是初级绕组、次级绕组和第三绕组的匝数，再设M1导通时，次级绕组的感应电压为：

N2／N1×Uin (2)

若M1截止时，次级绕组的感应电压为：

－Uin×N2／N3 (3)

关于高频变压器正向激励时的脉冲波形占空比的问题，为了保证高频变压器传送能量时的高效率和避免变压器铁芯的饱和，要求脉冲的占空比略高于50%为好。

根据公式（1），铁芯复位的电压×时间

＝Uin×N2／N3×Tr (4)

式中的Tr是铁芯复位所需的时间。

按照以上要求，应有以下方程成立：

Uin×Ton＝Uin×N1／N3×Tr

则Tr＝（Uin×Ton）／（Uin×N1／N3） (5)

由方程（5）看出，在设计变压器T时，如果选用绕组时，设定N1＝N3，则工作变压器T 的脉冲占空比接近50%。为了降低铁芯的复位时间，可以减少方程（5）中的恢复时间Tr，如图2的初级电流Ir、开关电压Usw和电感电流I L之间关联的波形图所示。为此在设计变压器绕组时，可提高绕组N1／N3的比值，即减少N3的匝数，若设定I f x＝N1／N3＝1.5，则Tr＝Ton／1.5＝0.66Ton (6)

此时的占空比：

ηmax＝Ton／（Ton＋0.66Ton）×100＝60% (7)

（7）式说明，工作变压器的占空比略高于50%时，开关电压的最大值就受到限制。在电路中，如果选择额定电压较高的MOS型场效应管，就能满足上述占空比的选择。

1.变压器铁芯面积（Ae）的设计

根据法拉第电磁感应定律

UT ON＝NAeΔB

Ae＝VT ON／NΔB，式中N为变压器绕组匝数，B为铁芯磁通密变（webe──韦帕）。

按定义导得Ton＝Dmax／f s其中f s为变压器的工作频率（Hz）， Dmax为选择的最大占空比。

将此式代入上式化简得

Ae＝（U in、min×D max）／（Np×ΔB×f s） (8)

再计算平均值输入直流（DC）电流：

I in.dc＝P in／U in.min＝P o／（U in.min×η） (9)

计算输入有效值（rms）电流：

计算电流强度：

N p×a p＝A W×K W

主绕组安匝数：

N p×I in.rms＝J×A W×K W

铁芯面积乘积：

A C A W＝（P o（D max）3／2）／（K W×J×η×ΔB×fs） (13)

式中：Ae代表铁芯横截面积（m2）

Aw代表铁芯口总面积（m2）

Po代表输出功率

n代表变压器效率

2.变压器绕组设计

N p＞（U in、min×D max）／（Ae×ΔB×fs）

匝数比（N）＝N p／N s

＝（（I in.rms－Uds.sat）×D max）／（U o＋U d）

N s＝N p／N

等式中Uds.sat代表MOSFET场效应管导通时的饱和压降，其值与所选场效应管型号有关，与导通电阻Rds、on和通过MOSFET导通电流有关。

铁芯截面参见表1，导线选择参见表2。