600W雙管正激變換器中高頻變壓器的設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　1、 引言

　　在高頻開(kāi)關(guān)變換器中磁性元件的應(yīng)用非常廣泛，主要有變壓器和電感器兩大類：當(dāng)變壓器用時(shí)，可起電氣隔離、升降壓及磁耦合傳遞能量等作用；當(dāng)電感器用時(shí)，起到儲(chǔ)存能量、平波與濾波等功能。并且其性能的好壞對(duì)變換器的性能產(chǎn)生重要影響，特別對(duì)整個(gè)裝置的效率、體積及重量起舉足輕重的作用。因此，磁性元件的設(shè)計(jì)是高頻開(kāi)關(guān)變換器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

　　高頻開(kāi)關(guān)變換器中的磁性元件設(shè)計(jì)，通常是根據(jù)鐵芯的工作狀態(tài)，合理選用鐵芯材料，正確設(shè)計(jì)計(jì)算磁性元件的鐵芯及繞組參數(shù)。但由于磁性元件所涉及的參數(shù)太多，其工作狀態(tài)不易透徹掌握，因此常規(guī)的設(shè)計(jì)方法不能全面反映其實(shí)際工作情況和考慮其它因素的影響，也就很難達(dá)到所需的性能指標(biāo)和滿足設(shè)計(jì)要求。

　　針對(duì)高頻開(kāi)關(guān)變換器中的磁性元件設(shè)計(jì)的重要性、必要性及其復(fù)雜性，筆者采用IntuSOFt公司的 “Magnetics Designer”軟件根據(jù)磁性元件的實(shí)際工作情況進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，獲得較理想的效果。本文首先介紹了磁性元件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮、注意的一些問(wèn)題，并針對(duì) 600W雙管正激變換器中的高頻變壓器給出了具體的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過(guò)程，最后通過(guò)仿真加以驗(yàn)證。

　　2、 磁性元件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的要點(diǎn)

　　2.1 鐵芯瞬態(tài)飽和

　　在高頻開(kāi)關(guān)變換器啟動(dòng)瞬間，由于雙倍磁通效應(yīng)，其磁性元件的鐵芯可能瞬態(tài)達(dá)到飽和，從而產(chǎn)生很大的浪涌電流，導(dǎo)致與磁性元件相連的開(kāi)關(guān)器件損壞。因此，為防止鐵芯瞬態(tài)飽和，可采用的方法：一是把工作磁感應(yīng)強(qiáng)度值減小，但這樣會(huì)降低鐵芯的利用率；二是增加軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)，啟動(dòng)時(shí)減小功率管的導(dǎo)通脈沖寬度，然后逐漸增大磁感應(yīng)強(qiáng)度到穩(wěn)態(tài)值。

　　2.2 繞組的漏感

　　繞組的漏感對(duì)高頻開(kāi)關(guān)變換器產(chǎn)生很大的負(fù)面效應(yīng)，影響其正常運(yùn)行。例如當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，繞組的漏感儲(chǔ)能釋放，在主開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生電壓尖峰，使功率器件電壓應(yīng)力增大；另外，一臺(tái)開(kāi)關(guān)變換器中有多個(gè)磁性元件，因而有多個(gè)寄生電感，造成嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）。為減少繞組的漏感，可采取的措施有：一是選擇合適的鐵芯結(jié)構(gòu)和形狀；二是繞組設(shè)計(jì)成瘦高型，增加繞組高度，減小繞組厚度；三是繞組采用絞合銅線或?qū)挶°~箔，使銅占因子升高；四是采用分層交叉繞制方法，使繞組耦合緊密。

　　2.3 集膚效應(yīng)

　　磁性元件在高頻工作時(shí)，導(dǎo)線中通過(guò)交變電流會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均勻，內(nèi)部電流密度小，邊緣部分電流密度大，使導(dǎo)線有效橫截面積減小，電阻增大。為使集膚效應(yīng)的影響減小，導(dǎo)線直徑應(yīng)不大于兩倍滲透深度。

　　3、 雙管正激變換器中的高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　圖1為組合雙管正激變換器的電路原理圖，M1，M2，D1，D2與副邊拓?fù)錁?gòu)成1#雙管正激變換器，M3，M4，D3，D4與副邊拓?fù)錁?gòu)成2#雙管正激變換器。工作時(shí)，2#變換器的控制脈沖相對(duì)于1#變換器移相了1800，雙路變換器交替工作，向副邊傳輸能量，通過(guò)二極管D1，D2或D3，D4向原邊輸入電源回饋能量，實(shí)現(xiàn)鐵芯磁復(fù)位。

　　圖1 組合雙管正激變換器的電路原理圖

　　下面針對(duì)圖1中的高頻變壓器進(jìn)行具體的分析與設(shè)計(jì)，電路的參數(shù)如下：輸入電壓VCC = 12v，輸出電壓Vo = 120v，輸出電流Io = 5A，開(kāi)關(guān)頻率f = 100K，工作占空比D = 0.45，濾波電感Lf = 50 uH.

　　3.1 高頻變壓器的磁分析

　　由于加在變壓器原邊的激磁電壓為單向脈沖，鐵芯的磁狀態(tài)工作于局部磁滯回線上，如圖2所示。當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，t∈［0，DT］，變壓器原邊正脈沖電壓序列激磁，鐵芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿局部磁滯回線從Br磁化到Bm;關(guān)斷時(shí)，t∈［DT，T］，變壓器原邊電壓為零，鐵芯通過(guò)二極管實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿局部磁滯回線從Bm去磁至Br.

　　圖2 變壓器鐵芯的局部磁滯回線

　　通過(guò)圖2可知，由于鐵芯磁狀態(tài)只在B-H平面第一象限內(nèi)變化，故鐵芯不能充分利用，利用率較低，并且工作于局部磁滯回線，磁導(dǎo)率也較低。因此，對(duì)于雙管正激變換器中的高頻變壓器，應(yīng)選擇高Bs、高磁導(dǎo)率、低Br及低損耗的磁性材料。

　　3.2 高頻變壓器的參數(shù)分析計(jì)算

　　單路變壓器的工作頻率f = 100k ，因此，對(duì)于濾波電感其工作頻率為2f = 200k，分析計(jì)算可得：

　　峰峰值電感電流：

　　其中， VD：續(xù)流二極管壓降，取為0.5v.

　　電感的平均電流：

　　電感的最大電流：

　　電感的最小電流：

　　變壓器副邊直流電流的平均值：

　　變壓器副邊交流電流的平均值：

　　變壓器原邊電壓：

　　其中，Vmosfet：功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降，取為0.5v.

　　變壓器副邊電壓：

　　其中，VDW：整流二極管的壓降，也取為0.5v.

　　原、副邊匝數(shù)比：

　　變壓器原邊直流電流的平均值：

　　變壓器原邊交流電流的平均值：

　　另外，單路變壓器的輸出功率為320W（考慮損耗），最大室溫為25攝氏度，最大溫升為60攝氏度。通過(guò)以上的參數(shù)分析計(jì)算，得到高頻變壓器的設(shè)計(jì)規(guī)格如表一所示：

　　表一 高頻變壓器的設(shè)計(jì)規(guī)格

　　3.3 高頻變壓器的軟件實(shí)現(xiàn)及SpICe模型

　　根據(jù)表一的設(shè)計(jì)規(guī)格，使用Magnetics Designer軟件完成高頻變壓器的自行設(shè)計(jì)。首先選取適用的鐵芯與材質(zhì)，當(dāng)輸入工作頻率值后，鐵芯精靈軟件會(huì)自動(dòng)選取適當(dāng)?shù)蔫F芯尺寸，并由程序自動(dòng)最佳化處理尺寸大小，然后在變壓器窗口中輸入相關(guān)繞組電壓值與電流值等設(shè)計(jì)規(guī)格，進(jìn)行多次的改進(jìn)設(shè)計(jì)，最后Magnetics Designer會(huì)將變壓器的電氣特性與繞組規(guī)格產(chǎn)生完整的輸出報(bào)告，以轉(zhuǎn)交給制造商制作高頻變壓器或提供給使用者作設(shè)計(jì)參考。

　　另外，Magnetics Designer軟件可以建立所設(shè)計(jì)的高頻變壓器Spice模型，此模型包括所有的鐵芯損與銅損、交流與直流電阻、漏電感與磁化電感和繞組電容等，并且是以子電路的形式實(shí)現(xiàn)的，可以很容易的與Pspice電路仿真軟件進(jìn)行嫁接，實(shí)現(xiàn)很完美的仿真。圖1中的高頻變壓器Spice模型子電路清單如下：

　　*src=“” E42/21/15 （94--036002）

　　*SYM=Untitled

　　.SUBCKT Untitled 1 2 3 4

　　*Copyright（c） IntuSOFt 2000. All rights reserved， redistribution prohibited.

　　*Fair-Rite， E Ferrite， 75_10100K_25C， E42/21/15 （94--036002）

　　*exempt 31097 3693 -17580

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　　Rdc1 N41 N61 372.5u

　　Lmag N41 2 23.17u

　　Rcore N41 2 129.5

　　Rac1 N61 1 372.5u

　　Lac1 N61 1 1.778n

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　　L12 N41 in2 51.31n

　　C1_2 in2 2 -925.1p

　　C2_23 2 4 9.720p

　　C3_23 2 N42 18.87p

　　Efwd2 N82 4 in2 2 12.50

　　Vsens2 N82 N42

　　Ffbk2 in2 2 Vsens2 12.50

　　Rdc2 N42 N62 77.67m

　　Rac2 N62 3 77.67m

　　Lac2 N62 3 370.8n

　　.ENDS

　　3.4 仿真結(jié)果

　　為了驗(yàn)證高頻變壓器的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)圖1所示的組合雙管正激變換器進(jìn)行了Pspice仿真，其中的高頻變壓器采用Magnetics Designer軟件所生成的Spice模型，主要仿真波形如圖3所示。

　　圖3 組合雙管正激變換器的主要仿真波形

　　圖3（a）、圖3（b）分別是變換器輸出電流和輸出電壓的波形，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，并反映了變換器的啟動(dòng)過(guò)程。

　　4、 結(jié)論

　　磁性元件是高頻開(kāi)關(guān)變換器中必不可少的關(guān)鍵器件，它擔(dān)負(fù)著磁能的傳遞、儲(chǔ)存以及濾波等功能，并且其性能參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)變換器的性能影響很大，因此磁性元件設(shè)計(jì)的重要性是不言而喻的。本文所提出的采用Magnetics Designer軟件對(duì)磁性元件進(jìn)行自行設(shè)計(jì)的方法，既反映了磁性元件的實(shí)際工作情況，又證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性，具有一定的指導(dǎo)意義和很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。