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作者: 立新 更新时间: 18-05-11 18:09:38
按照高频变压器的工作方式,可分为正激式和反激式两种。高频变压器工作时是利用一电子 开关的高速通断,从而使变压器进行能量传输。当电子开关导通时,变压器进行能量传输,称为 正激式;反之,即电子开关截止时,变压器进行能量传输,称为反激式。
由于高频变压器在开关电源中已被广泛的使用,所以,高频变压器的设计是一重要课题。
按照高频变压器的工作方式,可分为正激式和反激式两种。高频变压器工作时是利用一电子
开关的高速通断,从而使变压器进行能量传输。当电子开关导通时,变压器进行能量传输,称为
正激式;反之,即电子开关截止时,变压器进行能量传输,称为反激式。
这里,笔者介绍正激式高频变压器的设计方法,如图1 所示。该变压器一般设计的使用功率
为50~500W。图1 中已标明变压器T 各绕组安装时规定的同名端,以便以下分析。

当功率开关管 M1 接通时(给M1 栅极上外加脉冲开关信号,在变压器T 的主绕组N1 中有
电流通过),其自感电动势a 点为+,b 点为-,这样在变压器的N1 中就储存了磁能。该能量传
输到次级绕组N2 上(e 点为+,f 点为-),使二极管D2 正向偏置,有电流通过D2、电感L 和
负载RL。而此时D3 是处于反向偏置,所以无电流通过D3。
当功率开关 M1 截止时(M1 栅极开关信号为“0”电平),变压器T 所有绕组以及L 的感应
电压都反向,D2 也处于反向偏置状态。由于电感器L 的电流不能突变,D3(是续流管)导通,
负载RL 仍有电流通过。此时,次级绕组中无电流通过。由此可见,变压器T 从初级到次级的能
量传输是在开关M1 导通时完成的,这一过程通常称为正激式变换(反之,若上述的能量传输是
在M1 截止时完成,称为反激式变换,这里不讨论)。
在上述的变压器 T 正激式变换中,为了避免变压器T 或电感器L 产生饱和,要求开关管M1
导通时的电压与时间的乘积(U×T)应等于M1 截止时的反向电压与时间的乘积。为此,设定
M1 时间为TON,T 初级绕组电压设为Uin (初级绕组电流由N1 的a 流到b),由此时的电压×
时间:Uin×Ton⋯⋯(1)。
然而,当电子开关 M1 截止时,没有电流流过变压器T,结果是电压与时间的乘积就会不平
衡,这种不平衡将导致变压器T 饱和。为了解决变压器可能饱和的问题,在变压器T 中增加了第
三绕组N3 和一只快恢复二极管D1。抗饱和的工作原理是当M1 瞬时截止时,第三绕组N3 的感
应电压。c~d 反向,此时c 点为正,d 点为负,且其感应电压高于Uin,因此D1 开始导通,这就
平衡了铁芯的电压和时间的乘积,这一过程称为铁芯的去磁或复位。
设 N1、N2、N3 分别是初级绕组、次级绕组和第三绕组的匝数,再设M1 导通时,次级绕组
的感应电压为:
N2/N1×Uin........(2)
若 M1 截止时,次级绕组的感应电压为:
-Uin×N2/N3.......(3)
关于高频变压器正向激励时的脉冲波形占空比的问题,为了保证高频变压器传送能量时的高
效率和避免变压器铁芯的饱和,要求脉冲的占空比略高于50%为好。
根据公式(1),铁芯复位的电压×时间
=Uin×N2/N3×Tr..(4)
式中的 Tr 是铁芯复位所需的时间。
按照以上要求,应有以下方程成立:
Uin×Ton=Uin×N1/N3×Tr
则 Tr=(Uin×Ton)/(Uin×N1/N3)..(5)
由方程(5)看出,在设计变压器T 时,如果选用绕组时,设定N1=N3,则工作变压器T
的脉冲占空比接近50%。为了降低铁芯的复位时间,可以减少方程(5)中的恢复时间Tr,如图
2 的初级电流Ir、开关电压Usw 和电感电流IL 之间关联的波形图所示。为此在设计变压器绕组时,
可提高绕组N1/N3 的比值,即减少N3 的匝数,若设定If x=N1/N3=1.5,则Tr=Ton/1.5=
0.66Ton..(6)


此时的占空比:
ηmax=Ton/(Ton+0.66Ton)×100=60%⋯⋯(7)
(7)式说明,工作变压器的占空比略高于50%时,开关电压的最大值就受到限制。在电路
中,如果选择额定电压较高的MOS 型场效应管,就能满足上述占空比的选择。
1.变压器铁芯面积(Ae)的设计
根据法拉第电磁感应定律
UTON=NAeΔB
Ae=VTON/NΔB,式中N 为变压器绕组匝数,B 为铁芯磁通密变(webe──韦帕)。
按定义导得 Ton=Dmax/fs 其中fs 为变压器的工作频率(Hz), Dmax 为选择的最大占空比。
将此式代入上式化简得
Ae=(Uin、min×Dmax)/(Np×ΔB×fs)⋯⋯⋯⋯(8)
再计算平均值输入直流(DC)电流:
Iin.dc=Pin/Uin.min=Po/(Uin.min×η)⋯⋯⋯⋯(9)
计算输入有效值(rms)电流:

计算电流强度:

Np×ap=AW×KW
主绕组安匝数:
Np×Iin.rms=J×AW×KW

铁芯面积乘积:
ACAW=(Po(Dmax)3/2)/(KW×J×η×ΔB×fs)⋯⋯⋯⋯⋯⋯(13)
式中:Ae 代表铁芯横截面积(m2)
Aw 代表铁芯口总面积(m2)
Po 代表输出功率
n 代表变压器效率
2.变压器绕组设计
Np>(Uin、min×Dmax)/(Ae×ΔB×fs)
匝数比(N)=Np/Ns
=((Iin.rms-Uds.sat)×Dmax)/(Uo+Ud)
Ns=Np/N
等式中 Uds.sat 代表MOSFET 场效应管导通时的饱和压降,其值与所选场效应管型号有关,
与导通电阻Rds、on 和通过MOSFET 导通电流有关。

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