盧翠珍

(百色學(xué)院，廣西 白色 533000)

0 引言

傳統(tǒng)的線性電源因其功耗大、效率低已被高效率、低功耗、體積小、重量輕的開關(guān)電源取而代之[1]。開關(guān)電源代表了穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。它不僅應(yīng)用在儀器儀表、測(cè)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)內(nèi)部的供電系統(tǒng)，而且還滲入到家電、手機(jī)充電器等消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域。隨著開關(guān)電源大量的應(yīng)用，也就誕生了各種各樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如非隔離式的降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、升-降壓型(Boost-Buck)變換器和隔離式的反激、正激、全橋、半橋、LLC變換器等，一般小功率電源采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)居多，中小功率電源則多數(shù)采用正激式，中大功率一般使用半橋，大功率使用全橋、LLC等。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)方法略有不同，但設(shè)計(jì)思路基本上都是從磁心選擇開始，然后確定繞組匝數(shù)、計(jì)算導(dǎo)線直徑、檢驗(yàn)填充系數(shù)等。

1 正激式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所謂正激式變換器，就是在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間向負(fù)載傳輸能量的DC/DC變換器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由功率開關(guān)管Q1、高頻變壓器TX1、整流二極管D1、續(xù)流二極管D2、儲(chǔ)能電感L1和濾波電容C2組成。

圖1 正激式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)管Q1采用型號(hào)為FQPF10N90增強(qiáng)型N溝道MOS管，其柵極控制信號(hào)為脈沖寬度可調(diào)節(jié)的PWM信號(hào)。當(dāng)脈沖控制信號(hào)的高電平加到柵極G時(shí)，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，輸入電壓VCC加在高頻變壓器原繞組1、2兩端。此時(shí)變壓器原邊繞組就有電流流過并開始勵(lì)磁。根據(jù)電磁感應(yīng)，其自感電動(dòng)勢(shì)的極性是1“+”、2“-”，由同名端可知，副繞組的6端也為“+”、5端為“-”，使整流二極管D1導(dǎo)通，副繞組5、6兩端的感應(yīng)電壓通過整流二極管D1和濾波電感L1向輸出電容C2及負(fù)載RL供電，便產(chǎn)生逐漸增大的二次電流I2。當(dāng)PWM信號(hào)中的高電平過去，低電平到來時(shí)，開關(guān)管Q1截止，原繞組中的電流要變?yōu)?，但由于電感線圈中的電流不能突變，因此原繞組1、2兩端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)極性與開關(guān)管剛導(dǎo)通時(shí)相反，即變?yōu)?“-”、2“+”，此時(shí)副繞組也變?yōu)?端“-”、5端“+”，整流二極管D1處于反向偏置而截止，次級(jí)繞組電流將變?yōu)?。但由于電感L1的電流不能突變，使其兩端產(chǎn)生一個(gè)左“-”右“+”的反電動(dòng)勢(shì)，由此D2因正向偏置而導(dǎo)通，使負(fù)載RL仍有電流流過。可見，D2為負(fù)載電流的繼續(xù)流動(dòng)提供了通路，故稱為續(xù)流二極管。

為了避免高頻變壓器磁芯過度飽和，在功率開關(guān)管從截止到下一次開關(guān)管導(dǎo)通的這段時(shí)間內(nèi)，必須使原邊繞組的勵(lì)磁電流降到零。不然到了下一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，勵(lì)磁電流將在本周期結(jié)束時(shí)的殘值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，并且還要在以后的開關(guān)周期內(nèi)依次累積疊加，這樣勵(lì)磁電流就會(huì)變得越來越大，從而導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。為此，通常增加一組輔助繞組3、4和一個(gè)削反峰二極管D3。這一繞組和原繞組1、2匝數(shù)相同，繞行方向相反，因此，在開關(guān)管截止時(shí)，輔助繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性是3“+”、4“-”，大小比直流輸入電壓要高，使二極管D3導(dǎo)通。一方面，該電動(dòng)勢(shì)對(duì)電源進(jìn)行充電，即把勵(lì)磁電流能量回饋到電源輸入端；另一方面，流過輔助繞組3、4中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和變壓器磁心原有磁場(chǎng)方向相反而相互抵消，從而使變壓器磁心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度很快恢復(fù)到初始狀態(tài)，因此把這一繞組稱為去磁繞組。

由于開關(guān)管在導(dǎo)通過程中，流過勵(lì)磁繞組(原邊繞組)的電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線并沒有完全通過副邊繞組，而是有一部分圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周圍的空間，同時(shí)存在少量分散的磁通，這部分磁通稱為漏磁通，也稱為漏感(該漏感一般為60 uH以下)。該漏感等效為電感，與開關(guān)管漏源(D、S)兩端串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，該漏感產(chǎn)生很高反電動(dòng)勢(shì)與輸入的電源電壓VCC疊加，加在開關(guān)管D、S兩端，使D、S兩端的電壓瞬間很高，極有可能把開關(guān)管燒壞，所以在原邊繞組和漏極D之間增加漏感續(xù)流電路。這里采用的是RCD鉗位電路，如圖1所示的R1、C3和D4。在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，漏感產(chǎn)生的尖峰電壓使D4導(dǎo)通，從而把這一電壓鉗位在安全值，同時(shí)漏感產(chǎn)生的能量一部分被電容C3吸收，串聯(lián)電阻R1是防止尖峰電壓瞬間把C3擊穿。

2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

1)AP法：高頻變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心，也是難點(diǎn)。一般高頻變壓器的工作頻率為50～500 kHz,有的甚至高達(dá)1000 kHz；要求變壓器具有高功率密度，高傳遞效率，低損耗，小體積；對(duì)設(shè)計(jì)要有一定的鐵損銅損比例，有一定的漏磁勵(lì)磁比例，還要求有一定的原、副邊功率損耗比例。因此其設(shè)計(jì)計(jì)算是一項(xiàng)繁瑣而又復(fù)雜的工程。變壓器的設(shè)計(jì)方法有多種，如輸入功率法、輸出功率法、感應(yīng)電流法、面積乘面積法等。由于作為變壓器磁心的原材料差異太大，影響參數(shù)太多，很難說清楚哪一種方法更準(zhǔn)確。下面僅以最常用的面積乘面積法為例說明高頻變壓器的設(shè)計(jì)。

將變壓器磁芯可繞導(dǎo)線的窗口面積乘以磁芯的有效面積，所得的面積乘積稱為面積乘面積法，簡稱AP法。即

AP=AW×Ae.

(1)

其中AP為面積乘積;AW為磁芯可繞導(dǎo)線的窗口面積;Ae為磁芯的有效面積。

設(shè)變壓器的勵(lì)磁繞組(原邊繞組)匝數(shù)為N1，在開關(guān)管導(dǎo)通有電流通過時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為U1，則根據(jù)電磁感應(yīng)，有

(2)

(3)

由式(3)可得變壓器磁芯的有效面積Ae的計(jì)算公式:

(4)

式中Ae的單位為cm2，以便與磁芯尺寸參數(shù)對(duì)應(yīng);f為開關(guān)頻率;D為占空比;ΔB為磁感強(qiáng)度的變化量，單位為T，在單極性工作時(shí)，ΔB=Bm-Br;Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度;Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。正激式高頻變壓器在100 ℃時(shí)為350 mT，當(dāng)工作頻率為100 kHz，其磁感應(yīng)強(qiáng)度只能取60%的變化區(qū)間，這時(shí)的磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度ΔB=350 mT×0.6=210 mT[2]，現(xiàn)取ΔB=0.2 T。

由變壓器原、副邊繞組匝數(shù)和電流，可以算出變壓器所利用的窗口面積為

(5)

為了便于與磁芯尺寸參數(shù)對(duì)應(yīng)，式(5)中窗口面積AW的單位也為cm2；N2為副邊繞組的匝數(shù)；I1、I2分別為原、副邊繞組的電流有效值，單位為A；J為繞組導(dǎo)線的電流密度，單位為A/cm2，一般取值200～600A/cm2(即2～6A/mm2)，本設(shè)計(jì)取J=400 A/cm2，KW為變壓器窗口面積的利用系數(shù)，一般取值0.2～0.4，現(xiàn)取KW=0.2。

根據(jù)有效值定義，得電流有效值I與峰值Im的關(guān)系

(6)

假設(shè)變壓器原、副邊繞組占用窗口面積相等，由式(5)和式(6)兩式得:

(7)

I1m為原邊電流峰值，將式(4)和式(7)相乘，得:

(8)

(9)

2)磁芯的選擇,首先是材料的選擇，本設(shè)計(jì)選擇PC40功率鐵氧體材料。其次是磁芯尺寸的選擇。

依據(jù)開關(guān)電源基本參數(shù):

輸入：AC，176～264 V、50 Hz；

輸出：DC，24 V、10 A；

開關(guān)頻率:f=65 kHz；

最大占空比：D=50%；

效率：η=85%

得輸出功率PO=UOIO=24×10=240 W

采用AP法，由式(9)確定所需的AP值

選用PQ3535磁芯24 V、10 A。查表可以得到PQ3535磁芯的有效面積Ae=1.96 cm2，面積乘積AP=4.3228 cm2>3.84 cm2符合要求。其中PQ3535磁芯共有12個(gè)引腳，每一邊有6個(gè)引腳。其中N1為原邊繞組，N2為副邊繞組，N3為去磁繞組。

3)確定最大最小占空比：一般情況下，正激式原邊繞組與去磁繞組匝數(shù)相同，最大占空比不超過50%。當(dāng)最大占空比設(shè)定為0.5 時(shí)，開關(guān)管所承受的關(guān)斷電壓為2倍的輸入電壓。開關(guān)管所承受的關(guān)斷電壓越高，最大占空比也越大。因此在單管正激電路一般設(shè)定的最大占空比Dmax=0.5，原邊繞組和副邊繞組的匝數(shù)比等于原、副邊繞組兩端電壓之比，即

(10)

由于正激式高頻變壓器的原、副邊繞組兩端也只有在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)才有感應(yīng)電壓，因此式(10)中要乘以占空比D。UD1為副邊整流二極管D1導(dǎo)通壓降，設(shè)UD1=0.5 V，則

(11)

同時(shí)正激式變換器輸入的直流電壓是整流濾波電路的輸出電壓，而這一輸出電壓又約等于交流電壓的1.2倍，則

最小直流輸入電壓：Uin(min)=176×1.2=212 V。為留有裕量實(shí)際取AC=180 V。

由式(11)知，最小占空比出現(xiàn)在輸入電壓最高的時(shí)候，也就是 400 V時(shí)，占空比最小

(12)

4)確定原邊繞組匝數(shù)與線徑

由式(2)確定原邊匝數(shù)：

(13)

實(shí)際取N1=36 匝。

(14)

符合設(shè)計(jì)要求。

又因?yàn)樵呡斎牍β剩?/p>

所以原邊電流峰值：

(15)

原邊電流有效值：

(16)

5)確定副邊繞組匝數(shù)與線徑

副邊繞組的峰值電流：I2m=I1m×n=3.13×3.67=11.5 A.

6)確定去磁繞組匝數(shù)與線徑

通常情況下，取去磁繞組的匝數(shù)等于勵(lì)磁(原邊)繞組的匝數(shù)，即N3=N1=36 匝。

去磁繞組有效面積：

N3實(shí)際選用直徑0.55 mm的漆包線2股并繞。

表1 變壓器繞組參數(shù)表

3 總結(jié)

AP法是一種基于工頻正弦波形鐵心變壓器提出的方法[3]。由于多數(shù)磁心的參數(shù)表中沒有直接給出AP值，僅給出了相關(guān)尺寸及Ae值，因此使用AP法選擇磁心時(shí)，還需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選一個(gè)磁心型號(hào)，通過查表得到Ae值，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的AW值，再檢驗(yàn)其AP值是否符合要求，一般需要多次計(jì)算才能確定磁心型號(hào)?？梢?，采用AP法選擇磁心不是那么直觀和方便。同時(shí)，對(duì)于波形復(fù)雜的高頻變壓器的計(jì)算結(jié)果也不是那么準(zhǔn)確和適合。但是只要提出設(shè)計(jì)要求和合理的選取參數(shù)，采用AP法還是比較容易通過核算，因此，目前對(duì)于缺乏電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者來說，仍被推薦為行之有效的實(shí)用方法[4]。