1、摘要：詳細(xì)介紹了一個(gè)帶有中間抽頭高頻大功率變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程和計(jì)算方法，以及要注意問(wèn)題。根據(jù)開(kāi)關(guān)電源變換器性能指標(biāo)設(shè)計(jì)出變壓器經(jīng)過(guò)在實(shí)際電路中測(cè)試和驗(yàn)證，效率高、干擾小，表現(xiàn)了優(yōu)良電氣特性。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源變壓器；磁芯選擇；磁感應(yīng)強(qiáng)度；趨膚效應(yīng)；中間抽頭 0 引言隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源SMPS(switch mode power supply)作為各種電子設(shè)備、信息設(shè)備電源部分，更加要求效率高、成本小、體積小、重量輕、具有可移動(dòng)性和能夠模塊化。變壓器作為開(kāi)關(guān)電源必不可少磁性元件，對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得非常重要。在高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，真止難以把握是磁路部分設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)電源變壓器作為

2、磁路部分核心元件，不但需要滿足上述要求，還要求它性能高，對(duì)外界干擾小。由于它復(fù)雜性，對(duì)其設(shè)計(jì)一、兩次往往不容易成功，一般需要多次計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)。因此，要提高設(shè)計(jì)效果，設(shè)汁者必須有較高理論知識(shí)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 1 開(kāi)關(guān)電源變換器性能指標(biāo)開(kāi)關(guān)電源變換器部分原理圖如圖1所示。 PC提示請(qǐng)看下圖: 其主要技術(shù)參數(shù)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；工作脈沖占空度 D=0.25O.85；轉(zhuǎn)換效率 85； 變壓器允許溫升 =50；變換器散熱方式 風(fēng)冷；工作環(huán)境

3、溫度 t=4585。2 變壓器磁芯選擇以及工作磁感應(yīng)強(qiáng)度確定2.1 變壓器磁芯選擇目前，高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器所用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(jià)格最高，從降低電源產(chǎn)品成本方面來(lái)考慮不宜采用。非晶合金和超微晶材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度雖然高，但在假定測(cè)試頻率和整個(gè)磁通密度測(cè)試范圍內(nèi)，它們呈現(xiàn)鐵損最高，因此，受到高功率密度和高效率制約，它們也不宜采用。雖然鐵氧體材料損耗比坡莫合金大些，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度也比非晶合金和超微晶材料低，但鐵氧體材料價(jià)格便宜，可以做成多種幾何形狀鐵芯。對(duì)于大功率、低漏磁變壓器設(shè)計(jì)，用E-E型鐵氧體鐵芯制成變壓器是最符合其要求，而且E-E型

4、鐵芯很容易用鐵氧體材料制作。所以，綜合來(lái)考慮，變換器變壓器磁芯選擇功率鐵氧體材料，E-E型。2.2 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm是開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要指標(biāo)，它與磁芯結(jié)構(gòu)形式、材料性能、工作頻率及輸出功率因素有關(guān)關(guān)。若工作磁感應(yīng)強(qiáng)度選擇太低，則變壓器體積重量增加，匝數(shù)增加，分布參數(shù)性能惡化；若工作磁感應(yīng)強(qiáng)度選擇過(guò)高，則變壓器溫升高，磁芯容易飽和，工作狀態(tài)不穩(wěn)定。一般情況下，開(kāi)關(guān)電源變壓器Bm值應(yīng)選在比飽和磁通密度Bs低一些，對(duì)于鐵氧體材料，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度選取一般在0.16T到0.3T之間。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)特定工作頻率、溫升、工作環(huán)境等因素，把工作磁感應(yīng)強(qiáng)度定在0.2 T。 3 變

5、壓器主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算3.1 變壓器計(jì)算功率開(kāi)關(guān)電源變壓器工作時(shí)對(duì)磁芯所需功率容量即為變壓器計(jì)算功率，其大小取決于變壓器輸出功率和整流電路形式。變換器輸出電路為全波整流，因此 PC提示請(qǐng)看下圖:式中：Pt為變壓器計(jì)算功率，單位為W；Po為變壓器輸出功率，單位為W；3.2 磁芯設(shè)計(jì)輸出能力確定磁芯材料確定后，磁芯面積乘積反映了變壓器輸出功率能力。其磁芯面積為 PC提示請(qǐng)看下圖: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(yīng)強(qiáng)度，單位為T(mén)；Kw為窗口占空系數(shù)取0.2；Kj為電流密度系數(shù)

6、(溫升為50時(shí)，E形磁芯取534)。3.3 磁芯實(shí)際輸出能力在磁芯工作狀態(tài)確定后，選擇磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)稍大于Ap值。因?yàn)樵撟儔浩魃岱绞绞秋L(fēng)扇冷卻，磁芯實(shí)際輸出能力至少應(yīng)大于設(shè)計(jì)輸出能力10，若散熱方式是自動(dòng)冷卻，則要求實(shí)際輸出能力比設(shè)計(jì)輸出能力大更多。查相關(guān)手冊(cè)，找到符合本設(shè)計(jì)要求E型磁芯規(guī)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(shí)際輸出能力為 PC提示請(qǐng)看下圖:由此可見(jiàn)，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為鐵占空系數(shù)，取

7、k=O.6。3.4 繞組匝數(shù)計(jì)算因?yàn)樽儞Q器電路形式為半橋式，所以變壓器初級(jí)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壓降不可忽視，本變換器所用整流二極管壓降在25A電流下約為25V，濾波電感直流壓降取05V；另外，變換器滿載工作時(shí)會(huì)把電壓拉低，為避免把工作脈沖占空比拉到最大時(shí)電壓電流仍然達(dá)不到要求，變壓器次級(jí)電壓要有一定裕度，一般取變換器輸出電壓30；所以，變壓器次級(jí)電壓Us=147 2.5 O5 14.730=22.1l V。3.4.1 初級(jí)繞組匝數(shù)N1 3.4.2 次級(jí)繞組匝數(shù)N2 式中：Ton為初級(jí)輸入脈沖電壓寬度，單位為s。取占空

8、度D=O.5，Ton=D/f=13 s。3.5 導(dǎo)線線徑計(jì)算繞組導(dǎo)線大小根據(jù)變壓器各繞組工作電流和電流密度來(lái)確定。另外，若變壓器工作頻率超過(guò)20 kHz，還需要考慮電流趨膚效應(yīng)影響，導(dǎo)線直徑應(yīng)小于兩倍穿透深度。頻率為38 kHz時(shí)銅導(dǎo)線趨膚深度O.41 mm，因此，所取導(dǎo)線直徑應(yīng)小于0.82 mm。3.5.1 電流密度 3.5.2 初級(jí)繞組所需導(dǎo)線截面積 PC提示請(qǐng)看下圖:用線徑是O.8mm，截而積是O.5mm2圓銅線兩根并繞。3.5.3 截面積因?yàn)楸咀儔浩鞔渭?jí)是帶中間抽頭輸出，計(jì)算導(dǎo)線截面積時(shí)，Io需乘以O(shè).707校正系數(shù)。因此，次級(jí)繞組所需導(dǎo)線截面積為 用線徑是O.8mm，截面積是0.5mm2圓銅線8根，分兩組，每組4根并繞，然后兩組并接。 4 線圈繞制因?yàn)樽儞Q器用是中間抽頭變壓器，功率較大，宜采用三明治繞法。三明治繞法是中間初級(jí)繞組，兩邊次級(jí)繞組，或中間次，兩邊初。這種繞法會(huì)對(duì)變壓器溫度有很大幫助，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(duì)外界干擾小，對(duì)紋波影響較小。本變壓器初級(jí)繞組繞在中間，次級(jí)是中間抽頭輸出，共有4個(gè)繞組，各2個(gè)繞組繞在初級(jí)兩邊。 5 結(jié)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)證明，該高頻大功率變壓器滿載工作時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.5，磁芯溫度58。工作穩(wěn)定可靠