高頻開關電源中隔離降壓式DC/DC變換器的制作方法

1引言

電力電子技術中，高頻開關電源的設計主要分為兩部分，一是電路部分的設計，二是磁路部分的設計。相對電路部分的設計而言，磁路部分的設計要復雜得多。磁路部分的設計，不但要求設計者擁有全面的理論知識，而且要有豐富的實踐經驗。在磁路部分設計完畢后，還必須放到實際電路中驗證其性能。由此可見，在高頻開關電源的設計中，真正難以把握的是磁路部分的設計。高頻開關電源的磁性元件主要包括變壓器、電感器。為此，本文將對高頻開關電源變壓器的設計，特別是正激變換器中變壓器的設計，給出詳細的分析，并設計出一個用于輸入48V(36～72V)，輸出2.2V、20A的正激變換器的高頻開關電源變壓器。

2正激變換器中變壓器的制作方法

正激變換器是最簡單的隔離降壓式DC/DC變換器，其輸出端的LC濾波器非常適合輸出大電流，可以有效抑制輸出電壓紋波。所以，在所有的隔離DC/DC變換器中，正激變換器成為低電壓大電流功率變換器的首選拓撲結構。但是，正激變換器必須進行磁復位，以確保勵磁磁通在每一個開關周期開始時處于初始值。正激變換器的復位方式很多，包括第三繞組復位、RCD復位[1,2]、有源箝位復位[3]、LCD無損復位[4,5]以及諧振復位[6]等，其中最常見的磁復位方式是第三繞組復位。本文設計的高頻開關電源變壓器采用第三繞組復位，拓撲結構如圖1所示。

開關電源變壓器是高頻開關電源的核心元件，其作用有三：磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。在開關管的作用下，將直流電轉變成方波施加于開關電源變壓器上，經開關電源變壓器的電磁轉換，輸出所需要的電壓，將輸入功率傳遞到負載。開關變壓器的性能好壞，不僅影響變壓器本身的發熱和效率，而且還會影響到高頻開關電源的技術性能和可靠性。所以在設計和制作時，對磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結構，繞

圖1 第三繞組復位正激變換器

正激變換器中變壓器的制作

制工藝等都要有周密考慮。開關電源變壓器工作于高頻狀態，分布參數的影響不能忽略，這些分布參數有漏感、分布電容和電流在導線中流動的趨膚效應。一般根據高頻開關電源電路設計的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結構設計中實現，而趨膚效應影響則作為選擇導線規格的條件之一。 2.1變壓器設計的基本原則

在給定的設計條件下磁感應強度B和電流密度J是進行變壓器設計時必須計算的參數。當電路主拓撲結構、工作頻率、磁芯尺寸給出后，變壓器的功率P與B和J的乘積成正比，即P∝B·J。

當變壓器尺寸一定時，B和J選得高一些，則某一給定的磁芯可以輸出更大的功率；反之，為了得到某一給定的輸出功率，B和J選得高一些，變壓器的尺寸就可以小一些，因而可減小體積，減輕重量。但是，B和J的提高受到電性能各項技術要求的制約。例如，若B過大，激磁電流過大，造成波形畸變嚴重，會影響電路安全工作并導致輸出紋波增加。若J很大，銅損增大，溫升將會超過規定值。因此，在確定磁感應強度和電流密度時，應把對電性能要求和經濟設計結合起來考慮。

2.2各繞組匝數的計算方法

正激變換器中的變壓器的磁芯是單向激磁，要求磁芯有大的脈沖磁感應增量。變壓器初級工作時，次級也同時工作。

1)計算次級繞組峰值電流IP2

變壓器次級繞組的峰值電流IP2等于高頻開關電源的直流輸出電流Io，即

IP2=Io（1）

2)計算次級電流有效值I2I2=·Ip2（2）

式中：D是正激變換器最大占空比。

3)計算初級繞組電壓幅值Up1

Up1=Uin－ΔU1（3）

式中：Uin是變壓器輸入直流電壓（V）；

ΔU1是變壓器初級繞組電阻壓降和開關管導通壓降之和（V）。

4）計算次級繞組電壓幅值Up2Up2=（4）

式中：Uo是變壓器次級負載直流電壓（V）；

ΔU2是變壓器次級繞組電阻壓降和整流管壓降之和（V）。

5)計算初級電流有效值I1

忽略勵磁電流等影響因素，初級電流有效值I1按單向脈沖方波的波形來計算：I1=·I2（5）

6)計算去磁繞組電流有效值IH

去磁繞組電流約與磁化電流相同，約為初級電流有效值的5％～10％，即

IH≈(0.05～0.1)·I1（6）