38kHz/375W開關電源變壓器的設計

0 引言
隨著電子技術和信息技術的飛速發展，開關電源SMPS(switch mode power supply)作為各種電子設備、信息設備的電源部分，更加要求效率高、成本小、體積小、重量輕、具有可移動性和能夠模塊化。變壓器作為開關電源的必不可少的磁性元件，對其進行合理優化的設計顯得非常重要。在高頻開關電源的設計中，真止難以把握的是磁路部分的設計，開關電源變壓器作為磁路部分的核心元件，不但需要滿足上述的要求，還要求它性能高，對外界干擾小。由于它的復雜性，對其設計一、兩次往往不容易成功，一般需要多次的計算和反復的試驗。因此，要提高設計的效果，設汁者必須有較高的理論知識和豐富的實踐經驗。

1 開關電源變換器的性能指標
開關電源變換器的部分原理圖如圖1所示。

其主要技術參數如下：
電路形式 半橋式；
整流形式 全波整流；
工作頻率 f=38kHz；
變換器輸入直流電壓 Ui=310V；
變換器輸出直流電壓 Ub=14.7V；
輸出電流 Io=25A；
工作脈沖的占空度 D=0.25～O.85；
轉換效率 η≥85％；
變壓器允許溫升 △τ=50℃；
變換器散熱方式 風冷；
工作環境溫度 t=45℃～85℃。

2 變壓器磁芯的選擇以及工作磁感應強度的確定
2.1 變壓器磁芯的選擇
目前，高頻開關電源變壓器所用的磁芯材料一般有鐵氧體、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。這些材料中，坡莫合金價格最高，從降低電源產品的成本方面來考慮不宜采用。非晶合金和超微晶材料的飽和磁感應強度雖然高，但在假定的測試頻率和整個磁通密度的測試范圍內，它們呈現的鐵損最高，因此，受到高功率密度和高效率的制約，它們也不宜采用。雖然鐵氧體材料的損耗比坡莫合金大些，飽和磁感應強度也比非晶合金和超微晶材料低，但鐵氧體材料價格便宜，可以做成多種幾何形狀的鐵芯。對于大功率、低漏磁變壓器設計，用E-E型鐵氧體鐵芯制成的變壓器是最符合其要求的，而且E-E型鐵芯很容易用鐵氧體材料制作。所以，綜合來考慮，變換器的變壓器磁芯選擇功率鐵氧體材料，E-E型。
2.2 工作磁感應強度的確定
工作磁感應強度Bm是開關電源變壓器設計中的一個重要指標，它與磁芯結構形式、材料性能、工作頻率及輸出功率的因素有關關。若工作磁感應強度選擇太低，則變壓器體積重量增加，匝數增加，分布參數性能惡化；若工作磁感應強度選擇過高，則變壓器溫升高，磁芯容易飽和，工作狀態不穩定。一般情況下，開關電源變壓器的Bm值應選在比飽和磁通密度Bs低一些，對于鐵氧體材料，工作磁感應強度選取一般在0.16T到0.3T之間。在本設計中，根據特定的工作頻率、溫升、工作環境等因素，把工作磁感應強度定在0.2 T。

3 變壓器主要設計參數的計算
3.1 變壓器的計算功率
開關電源變壓器工作時對磁芯所需的功率容量即為變壓器的計算功率，其大小取決于變壓器的輸出功率和整流電路的形式。變換器輸出電路為全波整流，因此

式中：Pt為變壓器的計算功率，單位為W；
Po為變壓器的輸出功率，單位為W；
3.2 磁芯設計輸出能力的確定
磁芯材料確定后，磁芯面積的乘積反映了變壓器輸出功率的能力。其磁芯面積為

式中：Ap為磁芯截面積乘積，單位為cm4；
Ac為磁芯截面積，單位為cm2；
Am為磁芯窗口截面積，單位為cm2；
Bm為磁芯工作磁感應強度，單位為T；
Kw為窗口占空系數取0.2；
Kj為電流密度系數(溫升為50℃時，E形磁芯取534)。
3.3 磁芯的實際輸出能力
在磁芯工作狀態確定后，選擇的磁芯結構參數應稍大于Ap值。因為該變壓器的散熱方式是風扇冷卻，磁芯的實際輸出能力至少應大于設計輸出能力的10％，若散熱方式是自動冷卻，則要求實際輸出能力比設計輸出能力大更多。查相關手冊，找到符合本設計要求的E型磁芯的規格為E42C，尺寸為a=4.2 cm，b=2.11 cm，c=2 cm，d=1.2 cm，e=2.95 cm，f=153 cm。
其實際輸出能力為

由此可見，Ap’大于Ap(1+10％)=3.48x(1+10％)=3.83 cm4，因此，所選磁芯符合要求。
式中：k為鐵的占空系數，取k=O.6。
3.4 繞組匝數的計算
因為變換器的電路形式為半橋式，所以變壓器的初級電壓Up=Ui/2=310/2=155 V。在該變換器中滿載電流25 A比較大，整流管和濾波電感上的壓降不可忽視，本變換器所用的整流二極管的壓降在25A電流下約為2．5V，濾波電感的直流壓降取0．5V；另外，變換器滿載工作時會把電壓拉低，為避免把工作脈沖的占空比拉到最大時電壓電流仍然達不到要求，變壓器次級電壓要有一定的裕度，一般取變換器輸出電壓的30％；所以，變壓器的次級電壓Us=147+2.5+O5+14.730％=22.1l V。
3.4.1 初級繞組匝數N1

3.4.2 次級繞組匝數N2

式中：Ton為初級輸入脈沖電壓寬度，單位為μs。
取占空度D=O.5，Ton=D/f=13 μs。
3.5 導線線徑的計算
繞組的導線大小根據變壓器各繞組的工作電流和電流密度來確定。另外，若變壓器的工作頻率超過20 kHz，還需要考慮電流趨膚效應的影響，導線直徑應小于兩倍的穿透深度。頻率為38 kHz時銅導線的趨膚深度△~O.41 mm，因此，所取導線直徑應小于0.82 mm。
3.5.1 電流密度

3.5.2 初級繞組所需導線的截面積

用線徑是O.8mm，截而積是O.5mm2的圓銅線兩根并繞。
3.5.3 截面積
因為本變壓器次級是帶中間抽頭輸出，計算導線的截面積時，Io需乘以O.707的校正系數。因此，次級繞組所需導線的截面積為

用線徑是O.8mm，截面積是0.5mm2的圓銅線8根，分兩組，每組4根并繞，然后兩組并接。

4 線圈的繞制
因為變換器用的是中間抽頭變壓器，功率較大，宜采用三明治繞法。三明治繞法是中間初級繞組，兩邊次級繞組，或中間次，兩邊初。這種繞法會對變壓器的溫度有很大的幫助，且磁力線在變壓器中分布較均勻，所以繞組耦合較均勻，漏感少，對外界干擾小，對紋波影響較小。本變壓器初級繞組繞在中間，次級是中間抽頭輸出，共有4個繞組，各2個繞組繞在初級的兩邊。

5 結語
實驗證明，該高頻大功率變壓器滿載工作時轉換效率達到95.5％，磁芯溫度58℃。工作穩定可靠，噪聲很小，對外界干擾小，表現了優良的電氣特性。
設計中，在最大輸出功率時，磁芯中的磁感應強度不應達到飽和，以免在大信號時產生失真。
該變壓器的工作頻率為38 kHz，由于工作頻率較高，趨膚效應影響比較大，因此，在設計時應注意選擇導線線徑，避免由于趨膚效應引起的有效面積的減少。