高頻開關(guān)電源中隔離降壓式DC

1、高頻開關(guān)電源中隔離降壓式DC/DC變換器的制作方法電力電子技術(shù)中，高頻開關(guān)電源的設計主要分為兩部分，一是電路部分的設計，二是磁路部分的設計。相對電路部分的設計而言，磁路部分的設計要復雜得多。磁路部分的設計，不但要求設計者擁有全面的理論知識，而且要有豐富的實踐經(jīng)驗。在磁路部分設計完畢后，還必須放到實際電路中驗證其性能。由此可見，在高頻開關(guān)電源的設計中，真正難以把握的是磁路部分的設計。高頻開關(guān)電源的磁性元件主要包括變壓器、電感器。為此，本文將對高頻開關(guān)電源變壓器的設計，特別是正激變換器中變壓器的設計，給出詳細的分析，并設計出一個用于輸入48V(3672V)，輸出2.2V、20A的正激變換器的高頻開

2、關(guān)電源變壓器。2正激變換器中變壓器的制作方法正激變換器是最簡單的隔離降壓式DC/DC變換器，其輸出端的LC濾波器非常適合輸出大電流，可以有效抑制輸出電壓紋波。所以，在所有的隔離DC/DC變換器中，正激變換器成為低電壓大電流功率變換器的首選拓撲結(jié)構(gòu)。但是，正激變換器必須進行磁復位，以確保勵磁磁通在每一個開關(guān)周期開始時處于初始值。正激變換器的復位方式很多，包括第三繞組復位、RCD復位1,2、有源箝位復位3、LCD無損復位4,5以及諧振復位6等，其中最常見的磁復位方式是第三繞組復位。本文設計的高頻開關(guān)電源變壓器采用第三繞組復位，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。開關(guān)電源變壓器是高頻開關(guān)電源的核心元件，其作用有三：

3、磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離。在開關(guān)管的作用下，將直流電轉(zhuǎn)變成方波施加于開關(guān)電源變壓器上，經(jīng)開關(guān)電源變壓器的電磁轉(zhuǎn)換，輸出所需要的電壓，將輸入功率傳遞到負載。開關(guān)變壓器的性能好壞，不僅影響變壓器本身的發(fā)熱和效率，而且還會影響到高頻開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性。所以在設計和制作時，對磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞圖1 第三繞組復位正激變換器正激變換器中變壓器的制作制工藝等都要有周密考慮。開關(guān)電源變壓器工作于高頻狀態(tài)，分布參數(shù)的影響不能忽略，這些分布參數(shù)有漏感、分布電容和電流在導線中流動的趨膚效應。一般根據(jù)高頻開關(guān)電源電路設計的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結(jié)構(gòu)設計中實現(xiàn)，而趨膚

4、效應影響則作為選擇導線規(guī)格的條件之一。 2.1變壓器設計的基本原則在給定的設計條件下磁感應強度B和電流密度J是進行變壓器設計時必須計算的參數(shù)。當電路主拓撲結(jié)構(gòu)、工作頻率、磁芯尺寸給出后，變壓器的功率P與B和J的乘積成正比，即PBJ。當變壓器尺寸一定時，B和J選得高一些，則某一給定的磁芯可以輸出更大的功率；反之，為了得到某一給定的輸出功率，B和J選得高一些，變壓器的尺寸就可以小一些，因而可減小體積，減輕重量。但是，B和J的提高受到電性能各項技術(shù)要求的制約。例如，若B過大，激磁電流過大，造成波形畸變嚴重，會影響電路安全工作并導致輸出紋波增加。若J很大，銅損增大，溫升將會超過規(guī)定值。因此，在確定磁感

5、應強度和電流密度時，應把對電性能要求和經(jīng)濟設計結(jié)合起來考慮。2.2各繞組匝數(shù)的計算方法正激變換器中的變壓器的磁芯是單向激磁，要求磁芯有大的脈沖磁感應增量。變壓器初級工作時，次級也同時工作。1)計算次級繞組峰值電流IP2變壓器次級繞組的峰值電流IP2等于高頻開關(guān)電源的直流輸出電流Io，即IP2=Io（1）2)計算次級電流有效值I2I2=Ip2（2）式中：D是正激變換器最大占空比。3)計算初級繞組電壓幅值Up1Up1=UinU1（3）式中：Uin是變壓器輸入直流電壓（V）；U1是變壓器初級繞組電阻壓降和開關(guān)管導通壓降之和（V）。4）計算次級繞組電壓幅值Up2Up2=（4）式中：Uo是變壓器次級負載

6、直流電壓（V）；U2是變壓器次級繞組電阻壓降和整流管壓降之和（V）。5)計算初級電流有效值I1忽略勵磁電流等影響因素，初級電流有效值I1按單向脈沖方波的波形來計算：I1=I2（5）6)計算去磁繞組電流有效值IH去磁繞組電流約與磁化電流相同，約為初級電流有效值的510，即IH(0.050.1)I1（6）7)計算變壓器輸入功率P1與輸出功率P2P1=Up1I1（7）P2=(Up2Ip2)（8）8)確定磁芯尺寸7首先確定銅耗因子Z，Z的表達式為Z=1.96（9）式中：是環(huán)境溫度（）；是變壓器溫升（）。然后計算脈沖磁感應增量Bm，Bm=KBBm（10）式中：KB是磁感應強度系數(shù)；Bm是磁芯材料最大工作

7、磁感應強度（T）。對于R2K鐵氧體磁芯，最大工作磁感應強度是0.3T。磁感應強度系數(shù)KB可以從圖2所示的磁感應強度系數(shù)曲線圖得出，它取決于輸出功率P2（W），工作頻率f（kHz）和變壓器平均溫升（）。變壓器所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)Y由下式確定Y=（11）式中：Y是變壓器所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)（cm5）；q是單位散熱表面功耗（W/cm2），q可以從溫升和q值關(guān)系曲線中得出，如果環(huán)境溫度為25，變壓器溫升為50，對應的q值為0.06。圖2磁感應強度系數(shù)計算出Y之后，選擇磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)YcY的磁芯，然后從磁芯生產(chǎn)廠商提供的資料中查出變壓器散熱表面積St(cm2)，等效截面積Ae(cm2)等磁芯參數(shù)，或者自行設計滿足

8、結(jié)構(gòu)常數(shù)的磁芯。9)計算初級繞組匝數(shù)（N1）7N1=104（12）10)計算次級繞組匝數(shù)NiNi=N1(i=2，3，4)（13）式中：Upi是次級各繞組輸出電壓幅值（V）。11)計算去磁繞組匝數(shù)對于采用第三繞組復位的正激變換器，復位繞組的匝數(shù)越多，最大占空比越小，開關(guān)管的電壓應力越低，但是最大占空比越小，變壓器的利用率越低。故需綜合考慮最大占空比和開關(guān)管的電壓應力，一般選擇去磁繞組匝數(shù)（NH）和初級繞組匝數(shù)相同，即NH=N1（14）需要注意的是，應該確保初級繞組和去磁繞組緊密耦合。2.3確定導線規(guī)格1)計算變壓器銅耗Pm根據(jù)變壓器平均溫升確定變壓器總損耗，減去磁芯損耗即得出銅耗，再根據(jù)銅耗來計

9、算電流密度。計算銅耗應該在磁芯規(guī)格確定之后進行。Pm=qStPbGc(W)（15）式中：St是變壓器表面積（cm2）；Pb是在工作磁感應強度和頻率下單位質(zhì)量的磁芯損耗（W/kg）；Gc是磁芯質(zhì)量（kg）。在實際計算中，銅耗可以按總損耗的一半處理。2)計算銅線質(zhì)量GmGm=8.9lmSWKm(kg)（16）式中：lm是線圈平均匝長（cm）；SW是磁芯窗口面積（cm2）；Km是銅線窗口占空系數(shù)，定義為繞組凈可繞線空間與導線截面積之比。計算銅線占空系數(shù)時應根據(jù)不同情況選取適當值，一般選取范圍在0.250.4之間，采用多股并繞時應選取較小值。3)計算電流密度JJ=(A/mm2)（17）4)計算導線截面

10、積Smi和線徑diSmi=(mm2)（18）di=1.13(mm)（19）式中：Ii是各繞組電流有效值（A）。計算所需導線直徑時，應考慮趨膚效應的影響。當導線直徑大于2倍趨膚深度時，應盡可能采用多股導線并繞。采用n股導線并繞時，每股導線的直徑din按下式計算。din=(mm)（20）銅線的趨膚深度有以下經(jīng)驗公式=(mm)（21）如果采用多股導線并繞，導線的股數(shù)太多，可以采用銅箔。在使用銅箔時，銅箔的厚度應該小于兩倍的趨膚深度，銅箔的截面積必須大于該繞組導線所需的截面積。在計算完畢后，校驗窗口尺寸，計算分布參數(shù)，校驗損耗和溫升等。3應用實例設計一個用于輸入為48V（3672V），輸出為2.2V、

11、20A的正激變換器的高頻開關(guān)電源變壓器，工作頻率是200kHz，最大占空比為0.45，采用第三繞組復位，銅線的趨膚深度為=0.148mm。按照上述設計方法，設計的高頻開關(guān)電源變壓器如下：磁芯規(guī)格EFD20，磁芯材料為3F3，Ae=31.0mm2，Philips；初級繞組16匝，采用型號為AWG31的銅線，6股并繞；復位繞組16匝，采用型號為AWG33的銅線；次級繞組2匝，采用厚度t=0.1mm，寬度b=14mm的銅箔，兩層并繞，即截面積S=2.8mm2。在最終確定導線規(guī)格時，均保留了一定的裕度。為使各繞組耦合良好，采用交錯繞線技術(shù)，如圖3所示8，其中P1和P2為變壓器初級繞組，并聯(lián)；S1和S2

12、為變壓器次級繞組，并聯(lián)；R為變壓器復位繞組。那么，初級繞組采用AWG31的銅線，兩層；次級繞組采用采用厚度t=0.1mm，寬度b=14mm，即S=1.4mm2的銅箔，兩層。設計出的變壓器的初級勵磁電感值實測為Lm=320.40H，次級電感值實測為Ls=5.18H，初級漏正激變換器中變壓器的設計功率半導體專家國際整流器公司推出基于因特網(wǎng)的設計及模擬工具myPOWER網(wǎng)上設計中心（OnlineDesignCentre），提供一天完成的設計組件定制服務，并將先進功率系統(tǒng)的設計時間縮短數(shù)周，甚至數(shù)月。隨著功率密度及系統(tǒng)功能指數(shù)的遞增，功率系統(tǒng)設計也日趨繁復。由于市場缺乏適當?shù)纳逃瞄_發(fā)工具，加上采購和優(yōu)化試驗電路板耗時甚多，因而延長了先進功率系統(tǒng)的開發(fā)時間。IR將定期擴充myPOWER在線設計中心，擴展至更廣泛的直流/直流轉(zhuǎn)換器應用，乃至交流/直流轉(zhuǎn)換器、應用器材及照明設備等應用領(lǐng)域。IR的myPOWER在線設計中心能為客戶定制所需設計，包括一應俱全的材料清單。設計人員可通過模擬程序，驗證系統(tǒng)的性能，也可對電路進行優(yōu)化，實現(xiàn)更高性能及成本效益，大大縮短傳統(tǒng)電路板試驗的開發(fā)時間。myPOWER在線設計中心可供免費使用。定制設計工具包內(nèi)備有一套經(jīng)過全封裝和測試的標準印刷電路板部件，并附有部件工具包