高频开关电源变压器的设计分析

电气传动　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａ｛Ｄｒｉｖｅｓ　自动化技术与应用》２００８年第２７卷第６期　高频开关电源变压器的设计分析　孙筱琳．李国勇．王志海　（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨１　５００４０）　摘要：分析了高频变压器的电磁特性及设计方法，并给出２．５ｋｗ高频开关电源变压器的设计过程。　关键词：高频功率变压器；开关电源；电磁分析　中图分类号：ＴＭ４３３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３－７２４１（２００８）０６—００５３—０４　Ｔｈｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ—－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　ＳＵＮ　Ｘｉａｏ－ｌｉｎ，ＬＩ　Ｇｕｏ－ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ－ｈａｉ　（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００４０　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　２．５ｋｗ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　１　引言　高频变压器作为能量传送、升降压及电气隔离的　磁性元件，在开关电源中非常重要。其性能好坏不仅关　１＝一Ⅳ１・　ｄｔｐ　２＝一Ⅳ２・　ｄｔｐ　（１）　系到变压器本身的效率、发热等问题，而且将决定着整　个逆变器的技术性能，甚至导致功率管的损坏和逆变失　败。因此，研究变压器的设计方法还是十分必要的。　其中，　、Ⅳ＇是变压器原、副边的匝数，　、ｅ２的正　方向与　的正方向符合右手螺旋关系。　假设磁通　是磁芯并与一次、二次绕组相交链的　高频变压器的电磁分析　磁通，即主磁通。那么根据公式（１），有　ｔｐ＝－　Ｊ　空载时一　１　ｒ　．　（２）　／２，，在高频开关电路中　波形如图２，　图１　变压器原理图　变压器一次绕组内流过电流　ｌ时，就会产生一个交　变磁动势　‘，并建立交变磁通　，如图１所示。那么根　据电磁感应定律，磁通　将在一次和二次绕组内感生电　图２　高频开关变压器原边电压　从而可得　１的表达式（一个周期）：　Ｕ１　Ｕ１，　，　动势６＇１和　２，且　一收稿日期：２　０　０　７—０　７—１　０　其余　维普资讯 http://www.cqvip.com 自动化技术与应用》２００８年第２７卷第６期　电气传动　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａ　Ｊ　Ｄｒｉｖｅｓ　其中，　ｌ为高频变压器的输入脉冲电压幅值（Ｖ），　为开关工作周期（ｓ），Ａ　７＂－（１／２一Ｄ　）　；Ｄｍ　为驱动　脉冲的最大占空比。　从而有　设变压器的输出视在功率　ｅｒ２＝Ｕ２１２　（７）　式中，尸Ｔ２、　、，２分别是变压器副边输出的视在功　率（Ｗ），电压（Ｖ），电流（Ａ）。　由电磁感应定律　。：一Ｎ。．　知，次级绕组上感　应电势幅值为：ｄｔ　Ｅ２＝　Ｕ１＝＿ｊ１　ｔ＿　＝　一　，音…　，。　一　２ｆｓ　Ⅳ２　，去　（８）　（９）　（１０）　取Ｄｍａｘ＝０．５（Ｄ　的实际值永远小于０．５），那么　Ｕｌ（１　Ｔｓ＜　ｔ＜－　ＡＴＥ２＝４ｉｓＢｍＮ２Ａ　忽略次级绕组中的铜阻，则　㈨　　…ｔ　＋一．　ｆ　Ⅳ１　，　ｏ　ｆ≤　２　一　Ｕ２＝Ｅ２＝４ｉｓＢｍＮ２ＡＰ　从而Ⅳ２　Ｕ　２０　，　其余　：　那么耳２＝４ｆｓＢｍＮ２ＡＰ×１２　因为　观　。’　，　（１１）　（１２）　（１３）　由公式（４）可以得到中与时间的关系图为　那么历＝　＝　；　故弓２＝４　ｍＡＰ’ＪＡｗ２　次级裸线面积（ｃｍ　）ｌ，是电流密度（Ａ／ｃｍ　）。　（１４）　式中，Ａ　为次级绕组裸导线截面积（ｃｍ　），Ａ　。为　当次级绕组为多个时，次级总视在功率就是各次级　绕组视在功率之和，即　厅２＝∑ＰＴ２ｉ（卢ｌ，２　３．．）　图３　高频变压器主磁通　于是，有　同理，在忽略初级铜阻的情况下，　Ｐｒｌ＝ＵＩＩ１＝４　ＡＰ・ＪＡｗ１　（１５）　（１６）　￣－ａｒ）一　＝　Ｕ１　ｒ　－Ａｔ）＝　＝　）　式中，尸Ｔ１、　、Ｉ１分别是变压器原边输出的视在功　率（Ｗ），电压（Ｖ），电流（Ａ）；　式中，△Ｂ　为磁通密度增量（Ｔ），Ａ。为磁芯有效面　积（ｍ　）。　为初级绕组裸导线截面积（ｃｍ　）。　磁芯窗口面积应同时容纳初级和次级绕组，或者说　同时容纳初次级的视在功率，那么　对于全桥变换器，其△Ｂ　应取一、三象限磁通密度　的总增量，为△Ｂｍ＝２Ｂ　，Ｂ　为工作磁通密度（Ｔ）。　于是　弓＝　＋　＝４Ｌ　・　＋　）＝　（１７）　Ｎ１＝　１Ｄ　—　１Ｄ　式中，　为窗口使用系数，主要与线径、绕组数有　ＡＢ，　ＡＰ　２ＬＢ　Ａ　（６）　关一般典型值取０．４；　为窗口面积（ｃｍ　）。　整理得，　式中，‘为开关工作频率（Ｈｚ）；　３　高频变压器的参数计算　Ａ　，Ａｗ　（ＰＴ　１＋ＰＴ２）（１８）　维普资讯 http://www.cqvip.com 电气传动　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｄｒｉｖｅｓ　《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第６期　式中，尸０、　分别为变压器原、幅边的输入及输出　尸：　：　４ＬＢｍ・ＪＫｏ　（１９）　功率（ｗ）；，７是变压器的工作效率。　式中，ＡＰ为磁芯面积乘积（ｃｍ　）；　为变压器的视在功率（Ｗ）；　为工作磁通密度（Ｔ）；　￡为开关工作频率（Ｈｚ）；　，为电流密度（Ａ／ｃｍ　）；　为窗口使用系数…。　对上述公式中，各参量的确定方式作一个介绍：　（１）　（２）　的确定　工作磁感应强度的选取，既要考虑小型化和低损　耗，又要保证在规定的环境温度、输出电压和输出负载　范围内变压器不饱和。传递交替矩形的脉冲变压器在　稳态工作时，磁感应Ｊ石『沿磁滞回线在＋　至一　之间交　替磁化，所以应选择　小于　，使磁芯不饱和。　工程上，一般选择工作磁感应强度Ｂ　≤Ｂｓ／３。因　（３）　为磁芯在合闸启动时，有可能第一个周期的磁感应幅值　图４　视在功率与线路结构关系　的最大值　将是２倍的　和剩磁感应　之和，即　磁芯确定以后，便可根据公式（６）、（１１）、（１３）等　．ｍａ　＝２　＋　。故只要满足２Ｂｍ≤　一　，磁芯在合闸启　确定变压器的原副边匝数及绕组裸线面积，并最终核正　动时便不会发生饱和。这样可减小励磁电流，降低损　其窗口面积是否合理。　耗，从而降低了温升，但却将以体积的增大为代价【　。　／的确定　电流密度是描述单位面积导线上流过电流大小的　４　２．５ｋＷ高频变压器的设计　量。在一般的设计中，／是由人们选取的，／取得大，漆　采用全波整流输出的开关电源，其输入电压为交流　２２０Ｖ，变换器工作频率为，　＝１　００ｋＨ　Ｚ，输出电压　包线细，铜阻大，于温升和电压的调整率均不利，但用　Ｕ　＝５０Ｖ，电流Ｉｏ＝５０Ａ。那么，假设变压器的效率为Ｔ１　铜少；／取得小，情况相反。因此／的选取为：在保证电　＝指标前提下取较大值，以降低成本。一般不超过　８　０％，工作磁场强度取Ｂ　＝０．１　２　Ｔ，电流密度取　Ｊ＝３５０Ａ／ｃｍ２，Ｋｎ＝０．４，那么　６００Ａ／ｃｍ　。　Ｐｏ（！＋￣／２）￣１０４尸叩的确定　一　：　：　４　肛０　４　肛０　４×ｌ０５×０枷　．１２×３５０×０．４　（ｃ　ｃ　）　视在功率尸Ｔ随线路结构不同而不同【３　Ｊ。　线路（１）理想时，Ｐｒ＝　＋Ｐｏ＝２　（２０）　考虑到磁芯的温升及工作频率，取ＥＥ型磁芯８７×　４３×２８（ｍｍ），则ＡＰ：６３．５　８ｃｍ　，Ａ。＝８１２ｒａｍ　，　实际，实际Ｐｒ　：一Ｐｏ＋Ｐｏ：Ｐｏ（１＋’ｘＡ￣－＝７８３ｍｍ　；　，　＝一＋　＝　）　（２１）　ｌｌ　ｌｌ　因此，在２２０Ｖ±２０％市电中，最低交流输入电压有　线路（２）理想时，　＝（１＋４２）Ｐｓ　（２２）　效值是１７６Ｖ，经整流后其值为　骶厅＝　（吉＋　Ｕｌｍｉｎ＝　×ｏ．９ｘ１７６＝２４９（ｖ）　（２３）　为了防止共同导通，取占空比Ｄｍａｘ＝０．４５，从而，初　线路（３）理想时，弓＝２４２Ｐ￣　（２４）　级绕组匝数为：　实际，Ｐｒ＝尸０（　＋１）√　（２５）　维普资讯 http://www.cqvip.com

自动化技术与应用》２００８年第２　７卷第６期　电气传动　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｄｒｉｖｅｓ　Ｎｐ＝　～２４９ｘ０．４５　＝～　一一６　结束语　、，、　　１２ｘ８１２ｘｌ０－６　Ｊ‘２｝ｓＢｍａｅ　２ｘ１０５　ｘ０．高频开关电源变压器的设计，是一个实践性很强的　课题，因此只有在不断的实践中才能使设计趋于完美。　本文设计的２．５　ｋ　Ｗ高频变压器在实际电路中得以验　证，设计方案正确可行，且未出现偏磁及饱和的现象。　故取ＮｐＺ６匝，那么初级绕组电流　ｐ一　一—＝　２４９ｘ０．—８＿１２－一　厶３３（５５（Ａ）　＿　｜ｌ一　≯＿譬或：　｝　：　ｌ＿　初级绕组裸线面积　１　Ａ印＝了Ｉｐ＝　１２．５５＝３≥　５８５（ｍｍｚ）　ｌ－　・…　．一．　Ｉ　：ｌ１　．誓　＿　；　冀　．　．．　＝１．３　ｉ≮　　ｊ　＿＿．　＿，　－，’　０　臻■麓　矗　冀麓　．ｊ＿　≤　＝譬援ｌ｜　痞ｔ　蠢露　ｌ０　｜≯００７誊　　　故取Ｎ。＝２匝，从而带中心抽头的次级绕组的匝数　２　Ｎ。　４匝。　图５　高频变压器输入电压　由于次级绕组带中心抽头，故次级绕组电流　—　÷　。　ｌ　ｌ＿　　●＿　Ｉ　＝０．７０７Ｉｏ＝３５．３５（Ａ）　■　０■｜◇　　ｌｌ＿　ｌ＿．　１．　鬟　●　鼍ｊ　＿　：　那么次级绕组裸线面积　ｔ　¨。　‘：　　＿｜　：了ＩＳ＝　３　５．３５互　≯　。蠢　Ｉ孵．ｉ．■　　■●　●●　＿｜　‘１●　’考虑到趋附效应的影响，实际一般选用的导线为多　一　．Ｉ一　＿＿．、　—　０¨－÷　“　　－－－．－。¨　垮，　赣　馥一＃Ｉｐ　一　，・ｔ・　．＿　燃孽０强　婚　”　　０∞　股漆包线并绕，或者选用铜排。变压器的工作频率为　ｒ　，　・　‘。０Ⅲ¨　．毒羔　．。．　誊　０　臻警戳毪簟．　ｌ　０　０　ｋ　Ｈ　Ｚ，在此频率下，铜导线的穿透深度为Ａ＝０．　２１ｒａｍ，因此绕组应选用线径小于０．４２ｒａｍ的铜导线。这　图６　输出整流后的电压　里原边采用一根７股线径为０．３２ｒａｍ的漆包线胶合而成　的多股线６根并绕６匝，副边采用一根７股线径为０．　参考文献：　［１］贝冠祺．小功率电源变压器实用设计制作和修理［Ｍ］．北　３２ｒａｍ的漆包线胶合而成的多股线２０根并绕２匝，原副　京：人们邮电出版社，ｌ９９５　边采用分层交叉绕法。　［２］张卫平．绿色电源——现代电能变换技术及应用［Ｍ］．北　京：科学出版社，２００１　５　实验结果　［３］张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计［Ｍ］．北京：电子　工业出版社，１９９８　如图５，图６所示。实验表明，上述方法简单易行，　且变压器没有出现偏磁及饱和现象。　作者简介：孙筱琳（１　９　８　２一），女，硕士研究生，研究方向：电　力电子与电力传动。　（上接第６６页）　．湖南城市学院学报（自然科学）．２００３，２４（６）：１０９－ｌ１ｌ　ｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ／Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ，Ｓｉｍｕｌａ—　［５］周宏仁，敬忠良，王培德．机动目标跟踪［Ｍ］．北京：国防　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌｓ，Ｍｕｌｔｉ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｆｕｓｉｏｎ，Ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅ－　工业出版社，ｌ９９１．８　ｓｏｕｒｃｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ＩＩ，ＳＰＩＥ，１　９９７．　［６］何友，修建娟，张晶炜，关欣．雷达数据处理及应用［Ｍ］．　［２］Ｘ．ＲＯＮＧ　Ｌｉ，ＶＥＳＳＥＬＩＮ　Ｐ．ＪＩＬＫ０Ｖ．Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　北京：电子工业出版社．２００６．１　Ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ　Ｔａｒｇｅｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ：Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｏｄｅｌｓ［Ｃ］．Ｐｒｏ－　［７］潘泉．杨峰．叶亮．梁彦．程咏梅．一类非线性滤波器——　ｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＰＩＥ　Ｖｏ１．４０４８（２０００）　ＵＫＦ综述［Ｊ１．控制与决策．２００５，２０（５）：４８１－４８９　［３］罗笑冰，王宏强，黎湘．模型转移概率自适应的交互式多　模型跟踪算法［Ｊ］．电子与信息学报，２００５，２７（１０）：ｌ５３９—１５４１　作者简介：仇世刚（１　９　８　５一），男，硕士研究生，研究方向：机　［４］王志敏，肖卫初．机动目标跟踪中ＩＭＭ算法的性能分析　动目标跟踪。