半桥反激输入电容驱动采样保护计算方法

输出带有中间抽头高频大功率变压器设计过程和计算方法摘要：详细介绍了一个带有中间抽头高频大功率变压器设计过程和计算方法，以及要注意问题。根据开关电源变换器性能指标设计出变压器经过在实际电路中测试和验证，效率高、干扰小，表现了优良电气特性。PCbfans.cn提示关键词：开关电源变压器；磁芯选择；磁感应强度；趋肤效应；中间抽头0引言随着电子技术和信息技术飞速发展，开关电源SMPS(switchmodepowersupply)作为各种电子设备、信息设备电源部分，更加要求效率高、成本小、体积小、重量轻、具有可移动性和能够模块化。变压器作为开关电源必不可少磁性元件，对其进行合理优化设计显得非常重要。在高频开关电源设计中，真正难以把握是磁路部分设计，开关电源变压器作为磁路部分核心元件，不但需要满足上述要求，还要求它性能高，对外界干扰小。由于它复杂性，对其设计一、两次往往不容易成功，一般需要多次计算和反复试验。因此，要提高设计效果，设汁者必须有较高理论知识和丰富实践经验。1开关电源变换器性能指标开关电源变换器部分原理图如图1所示。请看下图:其主要技术参数如下：电路形式半桥式；整流形式全波整流；工作频率f=38kHz；变换器输入直流电压Ui=310V；变换器输出直流电压Ub=14.7V；输出电流Io=25A；工作脉冲占空度D=0.25～O.85；转换效率η≥85％；变压器允许温升△τ=50℃；变换器散热方式风冷；工作环境温度t=45℃～85℃。2变压器磁芯选择以及工作磁感应强度确定2.1变压器磁芯选择目前，高频开关电源变压器所用磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。这些材料中，坡莫合金价格最高，从降低电源产品成本方面来考虑不宜采用。非晶合金和超微晶材料饱和磁感应强度虽然高，但在假定测试频率和整个磁通密度测试范围内，它们呈现铁损最高，因此，受到高功率密度和高效率制约，它们也不宜采用。虽然铁氧体材料损耗比坡莫合金大些，饱和磁感应强度也比非晶合金和超微晶材料低，但铁氧体材料价格便宜，可以做成多种几何形状铁芯。对于大功率、低漏磁变压器设计，用E-E型铁氧体铁芯制成变压器是最符合其要求，而且E-E型铁芯很容易用铁氧体材料制作。所以，综合来考虑，变换器变压器磁芯选择功率铁氧体材料，E-E型。2.2工作磁感应强度确定工作磁感应强度Bm是开关电源变压器设计中一个重要指标，它与磁芯结构形式、材料性能、工作频率及输出功率因素有关关。若工作磁感应强度选择太低，则变压器体积重量增加，匝数增加，分布参数性能恶化；若工作磁感应强度选择过高，则变压器温升高，磁芯容易饱和，工作状态不稳定。一般情况下，开关电源变压器Bm值应选在比饱和磁通密度Bs低一些，对于铁氧体材料，工作磁感应强度选取一般在0.16T到0.3T之间。在本设计中，根据特定工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在0.2T。3变压器主要设计参数计算3.1变压器计算功率开关电源变压器工作时对磁芯所需功率容量即为变压器计算功率，其大小取决于变压器输出功率和整流电路形式。变换器输出电路为全波整流，因此请看下图:变压器计算功率=变压器输出功率*(1.414+1/效率)式中：Pt为变压器计算功率，单位为W；Po为变压器输出功率，单位为W；3.2磁芯设计输出能力确定磁芯材料确定后，磁芯面积乘积反映了变压器输出功率能力。其磁芯面积为磁芯截面积乘积=磁芯截面积*磁芯窗口截面积=(变压器计算功率*104/4*磁芯工作磁感应强度*工作频率*窗口占空系数*电流密度系数)1.16式中：Pt为变压器计算功率，单位为W；Ap为磁芯截面积乘积，单位为cm4；Ac为磁芯截面积，单位为cm2；AeAm为磁芯窗口截面积，单位为cm2；AwBm为磁芯工作磁感应强度，单位为T；在0.16T到0.3T之间，根据特定工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在0.2Tf为工作频率，单位为HZKw为窗口占空系数取0.2；Kj为电流密度系数(温升为50℃时，E形磁芯取534)。3.3磁芯实际输出能力在磁芯工作状态确定后，选择磁芯结构参数应稍大于Ap值。因为该变压器散热方式是风扇冷却，磁芯实际输出能力至少应大于设计输出能力10％，若散热方式是自动冷却，则要求实际输出能力比设计输出能力大更多。查相关手册，找到符合本设计要求E型磁芯规格为E42C，尺寸为a=4.2cm，b=2.11cm，c=2cm，d=1.2cm，e=2.95cm，f=1.53cm。其实际输出能力为请看下图:E型PQ型A-磁芯长度B-磁芯高度C-磁芯宽度D-磁芯舌头宽度（直径）E-磁芯间隙宽度（加磁芯舌头宽度）F-磁芯间隙高度磁芯截面积乘积=铁占空系数*磁芯截面积*磁芯窗口截面积=铁占空系数cd(e-d)*由此可见，Ap’大于Ap(1+10％)=3.48x(1+10％)=3.83cm4，因此，所选磁芯符合要求。式中：k为铁占空系数，取k=O.6。e磁芯间隙整个磁芯宽度（包括磁芯舌头）d磁芯舌头宽度3.4绕组匝数计算因为变换器电路形式为半桥式，所以变压器初级电压Up=Ui/2=310/2=155V。变压器初级电压=输入电压/2在该变换器中满载电流25A比较大，整流管和滤波电感上压降不可忽视，本变换器所用整流二极管压降在25A电流下约为2．5V，滤波电感直流压降取0．5V；另外，变换器满载工作时会把电压拉低，为避免把工作脉冲占空比拉到最大时电压电流仍然达不到要求，变压器次级电压要有一定裕度，一般取变换器输出电压30％；所以，变压器次级电压Us=（14.7+2.5+O5）+14.7×30％=22.1lV。次级电压=(输出电压+整流二极管压降+滤波电感直流压降)+输出电压*30%3.4.1初级绕组匝数N1初级绕组匝数=(变压器初级电压*初级输入脉冲电压宽度/2*工作磁感应强度*磁芯截面积)=变压器初级电压*初级输入脉冲电压宽度/2*铁占空系数*c*d(磁芯尺寸)3.4.2次级绕组匝数N2次级绕组匝数N2=次级电压*初级绕组匝数/变压器初级电压式中：Ton为初级输入脉冲电压宽度，单位为μs。取占空度D=O.5，Ton=D/f=13μs。Ton=0.5/38000=0.000013S=0.013mS=13uS3.5导线线径计算绕组导线大小根据变压器各绕组工作电流和电流密度来确定。另外，若变压器工作频率超过20kHz，还需要考虑电流趋肤效应影响，导线直径应小于两倍穿透深度。频率为38kHz时铜导线趋肤深度△~O.41mm，因此，所取导线直径应小于0.82mm。3.5.1电流密度电流密度=电流密度系数*磁芯截面积乘积-0.14*10-23.5.2初级绕组所需导线截面积请看下图:初级绕组导线截面积=(次级绕组匝数*初级电流)/(初级绕组匝数*电流密度)用线径是O.8mm，截而积是O.5mm2圆铜线两根并绕。3.5.3次级绕组截面积因为本变压器次级是带中间抽头输出，计算导线截面积时，Io需乘以O.707校正系数。因此，次级绕组所需导线截面积为次级绕组截面积=0.707*初级电流/电流密度用线径是O.8mm，截面积是0.5mm2圆铜线8根，分两组，每组4根并绕，然后两组并接。4线圈绕制因为变换器用是中间抽头变压器，功率较大，宜采用三明治绕法。三明治绕法是中间初级绕组，两边次级绕组，或中间次，两边初。这种绕法会对变压器温度有很大帮助，且磁力线在变压器中分布较均匀，所以绕组耦合较均匀，漏感少，对外界干扰小，对纹波影响较小。本变压器初级绕组绕在中间，次级是中间抽头输出，共有4个绕组，各2个绕组绕在初级两边。5结语实验证明，该高频大功率变压器满载工作时转换效率达到95.5％，磁芯温度58℃。工作稳定可靠，噪声很小，对外界干扰小，表现了优良电气特性。设计中，在最大输出功率时，磁芯中磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。该变压器工作频率为38kHz，由于工作频率较高，趋肤效应影响比较大，因此，在设计时应注意选择导线线径，避免由于趋肤效应引起有效面积减少。单端反激开关电源变压器设计单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感，它要承担着储能、变压、传递能量等工作。下面对工作于连续模式和断续模式的单端反激变换器的变压器设计进行了总结。一、已知的参数这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定，包括：输入电压Vin、输出电压Vout、每路输出的功率Pout、效率η、开关频率fs(或周期T)、线路主开关管的耐压Vmos。二、计算第1步：计算反激电压:在反激变换器中，副边反射电压即反激电压Vf（反峰电压）与输入电压之和不能高过主开关管的耐压，同时还要留有一定的裕量(假设为150V)。反激电压由下式确定：Vf=VMos-VinDCMax-150V反激电压=开关管的耐压—输入直流电压最大值—150V(裕量)第2步：确定原、副边的匝比：反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之后，就可以确定原、副边的匝比了。Np/Ns=Vf/Vout原边匝数/副边匝数=反激电压/输出电压第3步：另外，反激电源的最大占空比（一般取0.45%）出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下，变压器的磁平衡，可以有下式：VinDCMin•••DMax=Vf•(1-DMax)输入电压最小值X占空比最大值=反激电压X(1—占空比最大值)第4步：计算原边电感量：设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1，当开关管关断时，原边电流上升到Ip2。若Ip1为0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。由能量守恒，我们有下式：1/2•(Ip1+Ip2)•DMax•VinDCMin=Pout/η1/2X(原边电流为Ip1+原边电流Ip2)X占空比最大值X输入电流电压最小值=输出功率/效率一般连续模式设计，我们令Ip2=3Ip1这样就可以求出变换器的原边电流，由此可以得到原边电感量：Lp=DMax•VinDCMin/fs•ΔIp原边电感量=占空比最大值X输入直流电压最小值/振荡频率X变化的原边电流对于连续模式，ΔIp=Ip2-Ip1=2Ip1；对于断续模式，ΔIp=Ip2。第5步：可由AwAe法求出所要铁芯：AwAe=(Lp•Ip22•104/Bw•K0•Kj)1.14磁芯窗口面积X磁芯截面积=(原边电感量X原边峰值电流平方X104/磁芯工作磁感应强度X窗口有效使用系数X电流密度系数)在上式中，Aw为磁芯窗口面积，单位为cm2Ae为磁芯截面积，单位为cm2Lp为原边电感量，单位为HIp2为原边峰值电流，单位为ABw为磁芯工作磁感应强度，单位为TK0为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般为0.2~0.4Kj为电流密度系数，一般取395A/cm2根据求得的AwAe值选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽之比比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感。第6步：计算原边匝数：有了磁芯就可以求出原边的匝数。根据下式：Np=Lp•Ip2•104/Bw•Ae原边匝数=原边电感量X原边峰值电流X104/磁芯工作磁感应强度X磁芯截面积再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。有时求的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原、副边的匝数合适。第7步：计算气隙：为了避免磁芯饱和，我们应该在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：lg=0.4π•Np2•Ae•10-8/Lp气隙长度=0.4πX原边匝数平方X磁芯的截面积X10-8/原边电感量在上式中，lg为气隙长度，单位为cmNp为原边匝数，Ae为磁芯的截面积，单位为cm2Lp为原边电感量，单位为H至此，单端反激开关电源变压器的主要参数设计完成。我们应该在设计完成后核算窗口面积是否够大、变压器的损耗和温升是否可以接受。同时，在变压器的制作中还有一些工艺问题需要注意。第8步：校验饱和磁通密度：Bmax=(Lp×Ip)/(Ae×Np)=(522×1.82)/(98×36)≈0.27T=270mT校验，饱和磁通密度=原边电感量X原边峰值电流)/(磁芯的截面积X原边匝数平方)最简单的反激变压器设计计算方法自己综合了一下众