吳臨玉，王衛(wèi)國(guó)

（蘭州空間技術(shù)物理研究所甘肅蘭州730000）

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基于匝數(shù)變化的平面脈沖變壓器設(shè)計(jì)

吳臨玉，王衛(wèi)國(guó)

（蘭州空間技術(shù)物理研究所甘肅蘭州730000）

摘要：針對(duì)脈沖變壓器存在的漏感和分布電容等寄生參數(shù)產(chǎn)生波形畸變的問題，本文給出了一種基于匝數(shù)變化的平面脈沖變壓器設(shè)計(jì)方法。該方法首先分析脈沖變壓器各工作階段的等效電路，然后選取TDK公司性能較好的PC95平面磁芯，繞制平面脈沖變壓器來取代用環(huán)形磁芯繞制的傳統(tǒng)脈沖變壓器。為了測(cè)試電路中寄生參數(shù)對(duì)電壓脈沖波形畸變的影響，利用不同的繞組形式，分析匝數(shù)等比情況下初次級(jí)不同匝數(shù)同步變化下的波形，最后對(duì)測(cè)試得到的匝數(shù)和電壓值用最小二乘法擬合，用擬合曲線觀察變化趨勢(shì)，進(jìn)而選擇合適的匝數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過使用平面磁芯的脈沖變壓器，能夠在合適的匝數(shù)下有效減小波形畸變。

關(guān)鍵詞：脈沖變壓器；平面磁芯；波形畸變；最小二乘

脈沖變壓器目的是為了獲得較大的勵(lì)磁電感、減小磁路中的功率損耗［1］，能以最小的損耗和相位失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量。所以對(duì)脈沖變壓器的要求是在傳送電壓脈沖時(shí)，應(yīng)盡量減少脈沖波形的畸變。但在實(shí)際中，由于變壓器寄生參數(shù)的影響，使本來的矩形脈沖經(jīng)傳輸后產(chǎn)生畸變，脈沖前沿變斜，產(chǎn)生頂降，并且產(chǎn)生震蕩。

傳統(tǒng)的繞線式變壓器通常由磁芯和帶骨架的銅線圈構(gòu)成，匝數(shù)較多、體積大而且容易產(chǎn)生電磁干擾。平面變壓器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)變壓器不一樣，它沒有漆包線繞組，而是將扁平的連續(xù)銅質(zhì)螺旋線腐蝕刻在敷銅薄膜材料（大多是PCB基材）上［2］，然后疊放在磁芯上，這可省去繞組骨架，有利于散熱、減小漏、削弱趨膚效應(yīng)。平面變壓器的結(jié)構(gòu)決定了它具有低的漏感和分布電容［3］，即更小的寄生參數(shù)。

針對(duì)繞線式變壓器體積大、匝數(shù)多、易產(chǎn)生電磁干擾，脈沖變壓器存在漏感、分布電容等寄生參數(shù)產(chǎn)生波形畸變的問題，所以文中采用平面變壓器取代用環(huán)形磁芯繞制的繞線式變壓器，給出了一種基于匝數(shù)變化的平面脈沖變壓器設(shè)計(jì)方法。通過采用TDK公司的PC95磁芯繞制的平面變壓器取代環(huán)形磁芯繞制的變壓器，測(cè)試在匝數(shù)等比情況下選取不同匝數(shù)對(duì)脈沖波形畸變的影響，最后利用最小二乘法驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)和最小二乘法相結(jié)合的方法選擇合適的匝數(shù)，有效減小了波形畸變。

1　平面磁芯的選取

采用平面脈沖變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繞線式變壓器時(shí)，平面磁芯的選取尤為重要。所選取的磁芯一般應(yīng)滿足下列要求：

1）具有高的脈沖磁導(dǎo)率μp，能用較小的鐵芯尺寸獲得較大的勵(lì)磁電感［4］；

2）具有較高的飽和磁通密度Bs和較低的剩余磁通密度Br；

3）在高頻下具有較低的損耗；

4）較高的居里溫度。

另外，由于在進(jìn)行平面脈沖變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用嵌入式PCB繞組，允許的匝數(shù)較少，這要求所選取的磁芯有較低的磁芯損耗并且有較高的初始磁導(dǎo)率。TDK公司的PC95平面磁芯能滿足這兩點(diǎn)要求，并且有較高的飽和磁通Bs、較低的損耗、穩(wěn)定性好，所以選用PC95磁芯做為實(shí)驗(yàn)的平面磁芯。下面是不同磁芯的材料參數(shù)，如表1所示，其中符號(hào)“-”代表無此參數(shù)。

2　脈沖變壓器工作原理

對(duì)脈沖變壓器的要求是在傳送脈沖時(shí)，脈沖波形應(yīng)該沒有畸變。但在實(shí)際上，由于變壓器寄生參數(shù)的影響，使電壓脈沖波形發(fā)生畸變［5］。脈沖波形失真主要有以下幾個(gè)方面：

表1　磁芯材料參數(shù)表

1）上升沿和下降沿傾斜，即存在上升時(shí)間和下降時(shí)間。

2）上升過程的結(jié)束時(shí)刻，有上沖，甚至出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。

3）下降過程的結(jié)束時(shí)刻，有下沖，也可能出現(xiàn)震蕩形象。

4）平頂部分是逐漸降落的。

這些失真反映了實(shí)際脈沖變壓器和理想變壓器脈沖波形的差別，原因在于實(shí)際的變器存在寄生參數(shù)。寄生參數(shù)造成的脈沖波形失真主要包括以下幾個(gè)方面［6］：

1）脈沖前沿

脈沖前沿包括脈沖上升時(shí)間和過沖兩部分。因?yàn)槊}沖變壓器存在漏感和繞組及結(jié)構(gòu)組件間的分布電容，這些寄生參數(shù)的存在，使前沿很陡的脈沖電壓加到變壓器上時(shí)，以及脈沖結(jié)束后，在變壓器電路中產(chǎn)生復(fù)雜的振蕩過程。這些振蕩嚴(yán)重影響脈沖變壓器的工作，使要變換的脈沖波形發(fā)生畸變。

2）脈沖后沿

下降過程的末了時(shí)刻，有下沖，也可能出現(xiàn)振蕩。脈沖電壓結(jié)束以后，變壓器電路中產(chǎn)生了復(fù)雜的振蕩過程。當(dāng)電路中存在非線性元件時(shí)，這個(gè)過程會(huì)更劇烈［7］。當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí)，電抗性元件中已經(jīng)儲(chǔ)存了一定的電能和磁能。因此，要發(fā)生復(fù)雜的振蕩過程，并產(chǎn)生很大的下沖。

3）脈沖頂降

平頂降落主要由繞組電感和初級(jí)電路電阻確定，寄生參數(shù)對(duì)平頂降落實(shí)際上沒有影響。

脈沖頂降的主要原因是脈沖變壓器勵(lì)磁電流的增長(zhǎng)，即由于并聯(lián)的勵(lì)磁電流分流而引起輸出脈沖的頂部降落［8］。為減小頂壓降，要盡量增大初級(jí)勵(lì)磁電感量Lm，這就要求磁芯材料具有較高的脈沖磁導(dǎo)率μp。脈沖頂峰是脈沖的最大幅度，即尖峰電壓，頂部可能會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏感和分布電容，為此需要使初級(jí)匝數(shù)盡可能的少。

因此，通過上面的分析，文中就針對(duì)脈沖變壓器存在漏感和分布電容等寄生參數(shù)產(chǎn)生波形畸變失真的問題，利用不同的繞組形式，通過對(duì)匝數(shù)等比情況下的初次級(jí)匝數(shù)同步變化，產(chǎn)生的波形來分析降低波形畸變的合適匝數(shù)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)一個(gè)用平面變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形變壓器的半橋電路。電路的主要參數(shù)是：f=207 kHz，Ui=100 V，Ii=0.1 A，Uo=2 V，Io=4 A。用TDK公司的PC95型磁芯作為脈沖變壓器的平面磁芯，分別繞成匝數(shù)為7、10、15、20的平面變壓器。在匝數(shù)等比的方式下，繞線方式用初、次級(jí)并繞。首先用線繞式平面變壓器做實(shí)驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果可為多層印制板平面變壓器的設(shè)計(jì)做前期的準(zhǔn)備與參考。

PC95型磁芯的主要參數(shù)是：有效截面積Ae=14.7 mm2；有效磁路長(zhǎng)度Le=20.7mm；磁芯有效體積Ve=304mm3；磁芯重量Me=1.5g

飽和磁通密度Bsat=4 700 Gs（25℃）

磁通密度的最大值Bmax通常是飽和磁通密度Bsat的一半，考慮工作周期內(nèi)剩磁的影響，所以取最大磁通密度Bmax為2 000 Gs（25℃）。

初級(jí)的匝數(shù)計(jì)算公式為：

式（1）中：

Vjn—驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)電壓的最小值，單位是V；

Dmax—最大占空比，半橋電路的最大占空取0.45；

Ae—磁芯橫截面的面積，單位是cm2；

Bmax—磁芯磁通的最大變化量，單位是高斯；

f—頻率，單位是Hz。代入數(shù)據(jù)可得：

在匝數(shù)等比情況下，初次級(jí)取不同的匝數(shù)時(shí)，測(cè)得的初、次級(jí)波形如下所示：

1）初、次級(jí)匝數(shù)是7、7匝時(shí)的波形分別如圖1所示。

2）初、次級(jí)匝數(shù)是10、10匝時(shí)的波形分別如圖2所示。

圖1　初、次級(jí)匝數(shù)是7、7匝的波形圖

圖2　初、次級(jí)匝數(shù)是10、10匝的波形圖

3）初、次級(jí)匝數(shù)是15、15匝時(shí)的波形分別如圖3所示。

4）初、次級(jí)匝數(shù)是20、20匝時(shí)的波形分別如圖4所示。

圖3　初、次級(jí)匝數(shù)是15、15匝的波形圖

圖4　初、次級(jí)匝數(shù)是20、20匝的波形圖

波形分析：

1）通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出的波形畸變包括前后沿加寬，前沿頂部出現(xiàn)上沖，脈沖平頂降落以及產(chǎn)生反峰，與理論分析的結(jié)果相似。

①脈沖變壓器繞組間存在漏感，繞組之間、繞組和磁芯間存在分布電容。寄生參數(shù)的存在，使前沿很陡的脈沖電壓加到變壓器上時(shí)，在電路中產(chǎn)生復(fù)雜的震蕩過程。當(dāng)匝數(shù)越少時(shí)，寄生參數(shù)越大，畸變?cè)絿?yán)重。

②脈沖電壓結(jié)束后，漏感和分布電容中存儲(chǔ)的能量越少，則震蕩的幅值越小，波形失真就越小，匝數(shù)是10、15匝時(shí)，震蕩幅值減小。

2）理論計(jì)算出的匝數(shù)與實(shí)際測(cè)量的相差較大。公式計(jì)算得出的最小匝數(shù)是7.4匝，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的滿足要求的最小匝數(shù)為10匝。原因有以下兩點(diǎn)：

①磁芯生產(chǎn)過程中參數(shù)的不一致性使磁芯的電感量降低，導(dǎo)致實(shí)際中需要更多的匝數(shù)得到電路所需要的電感量。

②在變壓器實(shí)際工作過程中的磁芯損耗和線圈損耗帶來溫升，溫升對(duì)鐵氧體的工作有影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)使磁通密度下降，即計(jì)算公式中分母上的Bmax值減小，結(jié)果使實(shí)際的匝數(shù)比計(jì)算出來的大一些。

3）從上面結(jié)果中可以看出使用平面磁芯后得到使波形畸變較小的最小匝數(shù)，下面用最小二乘法對(duì)兩組測(cè)試數(shù)據(jù)擬合，得到不同次數(shù)的擬合曲線來驗(yàn)證測(cè)試所得最小匝數(shù)。表2和表3中的n代表變壓器初級(jí)的匝數(shù)，U代表變壓器初級(jí)的直流電壓。

表1　第一組測(cè)試數(shù)據(jù)

表3　第二組測(cè)試數(shù)據(jù)

擬合曲線如圖5所示。

圖5　第一組測(cè)試數(shù)據(jù)下不同次數(shù)的擬合曲線

擬合曲線如圖6所示。

分析擬合曲線，初、次級(jí)的最小匝數(shù)在10～15匝的范圍內(nèi)。結(jié)合測(cè)試波形，匝數(shù)為15匝時(shí)的波形比匝數(shù)為10匝的波形失真較小，但從印制板PCB平面變壓器的工藝實(shí)現(xiàn)以及對(duì)電路性能影響角度出發(fā)，初、次級(jí)匝數(shù)越少越好，所以可選擇10匝。

4　結(jié)論

1）正確選擇變壓器磁芯和繞制方式，能減少驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸失真。要以實(shí)驗(yàn)波形為依據(jù)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得到最優(yōu)驅(qū)動(dòng)變壓器。

圖6　第二組測(cè)試數(shù)據(jù)下不同次數(shù)的擬合曲線

2）從理論計(jì)算公式得到的最小匝數(shù)，但沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。應(yīng)以計(jì)算的最小匝數(shù)為基礎(chǔ)，通過測(cè)試不同匝數(shù)下的波形，得到滿足波形畸變較小的匝數(shù)。

3）由測(cè)試得到的不同匝數(shù)下的驅(qū)動(dòng)波形電壓值，用最小二乘法得到擬合曲線驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果。從擬合曲線上可以直觀地看到變化趨勢(shì)和最小匝數(shù)范圍。

綜上所述，在實(shí)際設(shè)計(jì)中為使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形失真較小，驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的前沿、后沿具有合適的陡度和頂降，使用平面磁芯的脈沖變壓器利用最小二乘擬合與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，選擇合適的匝數(shù)，可以有效的減小波形失真，這也可為PCB印制變壓器的設(shè)計(jì)提供參考。

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Based on changlng the number of turns deslgn of Planar Pulse transformer

WU Ljn-yu，WANG Wej-guo
（Lanzhou Institute of Physics，China Academy of Space Technology，Lanzhou 730000，China）

Abstract:For drjvjng pu1se transformer，1eakage jnductance，djstrjbuted capacjtance and other parasjtjc parameters produce waveform djstortjon. Thjs paper proposes a desjgn method of p1ane pu1se transformer based on changjng the number of turns. Fjrst1y，ana1yzjng pu1se transformer's equjva1ent cjrcujt of each workjng stage，then se1ectjng good performance p1anar magnetjc core PC95 of TDK company，wjndjng the pu1se transformer wjth p1anar magnetjc core to rep1ace tradjtjona1 pu1se transformer wjth torojd core. To test the affectjon of parasjtjc parameters of the cjrcujt on the pu1se vo1tage waveform djstortjon，choosjng djfferent number of turns for the prjmary and secondary sjde，testjng waveforms at djfferent turns condjtjons，fjna11y，the number of turns and the vo1tage va1ue was fjtted by the 1east squares method. Trends observed wjth the fjtted curve and then se1ect the approprjate number of turns. Experjmenta1 resu1ts show that usjng p1anar magnetjc core for pu1se transformer can effectjve1y reduce the waveform djstortjon wjth proper turns.

Key words:pu1se transformer；p1anar magnetjc core；waveform djstortjon；1east square method

中圖分類號(hào)：TN782

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0120-05

收稿日期：2015-05-21稿件編號(hào)：201505194

作者簡(jiǎn)介：吳臨玉（1989—），女，甘肅臨洮人，碩士研究生。研究方向：空間電子技術(shù)。