浅析半桥正激式开关电源的变压器设计

浅析半桥正激式开关电源的变压器设计
摘要变压器参数主要指线圈匝数、线圈线径大小、磁芯横截面面积，这些参数与输入电流、输入电压、输出电流、输出电压、驱动工作频率、实际工作电路有关的。

本文从电磁学的基本理论出发，分析变压器的参数是如何推算出来的。

关键词半桥正激式开关电源；变压器设计
引言
以图1作为研究对象，我们对变压器的参数是如何设计的展开探讨。

1 设计相关因素
根据设计要求，输出电压是100V，输出电流为15A，输出功率PO=IOUO=15 A×100V=1500W，设整机的工作效率为η为90%，那么，整机的输入功率PIN=PO/η=1666.7W，直流电压为311.08V，由于高压电容C3和C4的分压作用，E1IN=UP/2=155.54V。

设次级线圈5-6的线圈匝数为N2，次级线圈6-8的线圈匝数为N3，由于6是中心抽头，N2=N3，分析各种情况：
①在驱动器输出CNT1为高电平，CNT2为低电平时，MOSFET场效应管Q1导通，Q2截止，电流从Q1，T1，C4流动，其值为I1
②在驱动器输出CNT2为高电平，CNT1为低电平时，MOSFET場效应管Q2导通，Q1截止，电流从Q2，T1，C3流动，其值也为I1
③在驱动器输出CNT1和CNT2都为低电平时，MOSFET场效应管Q1和Q2截止，次级线圈放电。

电流从Q2，T1，C3流动，其值也为I1。

ξ2OUTOFF=UF+UO （1）
④由于死时间的存在，绝对不会出现CNT1和CNT2同时为高电平的现象。

线圈导通时，根据等磁通原理可得到：
ξ1INON/ξ2OUTON=N1/N2 （2）
根据ξ1INONI1INON=ξ2OUTONIO大电流为：
IO= I1INONN1/N2 （3）
其中UF是肖特基二极管D10的正向电压。

根据伏秒平衡原理得：
ξ2OUTON×T= ξ2OUTOFF×TON （4）
ξ2OUTOFF=100.8V TON=20/3us TOFF=10/3us ξ2OUTON=50.4V
2 选择铁芯和骨架
根据变压器的功率，我们应选择铁芯型号：CD32×64×160骨架的高度：158mm骨架的厚度：1.7mm窗宽：50mm
3 选择线圈匝数
SC=KDsqrt（PIN）（5）
取KD=1.50，由此算出铁芯的有效截面积61.24cm2，根据高频变压器的设计理论，从而推导得到初级（一次侧）电感线圈的关系式：
N=sqrt（Ll m/uS）（6）
其中l m是磁路中的有效成长度，它是通过安培环路定律和全磁路欧姆定律推的。

L是初级（一次侧）电感线圈的电感量，取1mH，u是磁芯的磁导率，S 是磁芯的有效横截面面积。

考虑到漏磁和生产工艺情况，经验公式为：
N=kδsqrt（Ll m/uS）（7）
kδ是常数因子，在0～2之間。

把已知数据代入，就可以求出初级（一次侧）线圈的匝数。

根据（6），把已知的数据代入，初级（一次侧）线圈的匝数为：
N1=83.8匝次级（二次侧）线圈的匝数为：
N2= N3=13.58匝由（3）得，I1INON=5.021A
4 选择漆包铜线的线径
再根据输入电流和输出电流的大小选择漆包铜线的线径的大小。

d=sqrt（4I/ΠJ）（8）
把J=1.85A/mm2，I1=5.02A，I2=15A，
数据代入，得到d1=1.86mm，d2=3.214mm
5 尾声
设计电路容易，设计参数难，这是学习和研究开关电源的共识。

如果设计者把我在《科学与财富》杂志上的发表的《PFC参数设计及理论推算》结合起来，再掌握变压器的结构知识，变压器的参数设计就迎刃而解了。