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1、校企联合开发的实训教材反激式变压器的设计广东明丰电源实业有限公司中山火炬职业技术学院2018年6月20日反激式变压器的设计反激式变压器设计思考（一）对一般变压器而言，原边绕组的电流由两部分组成，一部分是负载电流分量，它的大小与副边负载有关；当副边电流加大时，原边负载电流分量也增加，以抵消副边电流的作用。另一部分是励磁电流分量，主要产生主磁通，在空载运行和负载运行时，该励磁分量均不变化。励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样，若抽水泵中无水，它就无法产生真空效应，大气压就无法将水压上来，水泵就无法正常工作；只有给水泵中加适量的水，让水泵排空，才可正常抽水。在整个抽水过程中，水泵中保持的
2、水量又是不变的。这就是，励磁电流在变压器中必须存在，并且在整个工作过程中保持恒定。正激式变压器和上述基本一样，初级绕组的电流也由励磁电流和负载电流两部分组成；在初级绕组有电流的同时，次级绕组也有电流,初级负载电流分量去平衡次级电流，激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动。而初次级负载安匝数相互抵消，它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动，而励磁电流占初级总电流很小一部分，一般不大于总电流1 0%,因此不会造成磁芯饱和。反激式变换器和以上所述大不相同，反激式变换器工作过程分两步：第一：开关管导通，母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来；第二：开关管关断，存储的磁能通过次级绕组给电容充电，同时给负载供电。
3、可见，反激式变换器开关管导通时，次级绕组均没构成回路，整个变压器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样，此时仅有初级电流，转换器没有次级安匝数去抵消它。初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动，实现电能向磁能的转换；这种情况极易使磁芯饱和。磁芯饱和时，很短的时间内极易使开关管损坏。因为当磁芯饱和时一，磁感应强度基本不变，dB/dt近似为零，根据电磁感应定律，将不会产生自感电动势去抵消母线电压，初级绕组线圈的电阻很小，这样母线电压将几乎全部加在开关管上，开关管会瞬时损坏。由上边分析可知，反激式开关电源的设计，在保证输出功率的前提下，首要解决的是磁芯饱和问题。如何解决磁芯饱和问题？磁场能量存于何处？
4、上述分析了反激式变换器的特殊性防止磁芯和的重要性，那么如何防止磁芯的饱和呢？大家知道增加气隙可在相同AB的情况下，IW的变化范围扩大许多，为什么气隙有此作用呢？由全电流定律可知：f J J d l=S IH%=NpI又：B =H o H凿 fH=B /(H o ,N r)得：B /(H o ,H1，k=N g lB =4w X 10-7 Mr N I/l a (1)式 中I t n为磁路长度，一般我们在开关电源中用的铁氧体磁芯的磁路长度比较短，这样B值会很大，容易饱和。如果加上气隙情况家大不相同，带气隙磁芯的磁路有效长度为：h=h+H*常用开关电源磁芯的Mr为1500 2 000(1)式 变
5、为：B =4w X 10-7 yr.N-1/14=47 1 I O-7 nT-N 1/(lm+P )(2)现在我们看一个例子：蓑 屐 瞬 为 E I 33,晚=100 匝，I R=O.5AS 1500,l g =l m m,lm=7 6 m m；当无气魄相B m =4w X 10-7x 1500X 100X 0.5/0.07 6=1.2 39 T当 有 气 蜩？Bf i=4TI-10-7x 1500 X 100 X 0.5/(0.07 6+(1500 x o.001)=0.059 7 T由上例可知，同一个磁芯在电流不变的条件下，仅增加1mm气隙,加气隙的磁感强度仅为不加气隙的磁感应强度的4.8
6、%,看来效果相当明显。加了气隙后，是否会影响输出功率呢？换句话说，加了气隙变压器还能否储原来那些能量呀？看一下下面的例子就知道了：在上述文中已讨论过，当开关管导通时，次级绕组均不构成回路,此时，变压器象是仅有一个初级绕组带磁芯的电感器一样，母线将次级需要的全部能量都存在这个电感器里。如下图1就是一个有气隙的电感器：图1表示一个磁芯长为1m,气隙长为1 g,截面积为Ae的磁芯，在其上绕N匝线圈，当输入电压为Ui时，输入功率为WiIWi=/otoUj-idt(3)假若忽略线圈电阻，这个能量必然以磁能Wm的形式存于电感中：即：Wm=Wi=/ouUj idt(4)图2图2为磁路的磁化曲线，假设当t=t
7、a时，i=i a.磁域W =Wa；忽略线圈电阻，那么线圈的自感电动势e和U诵.，根据法拉第电磁感应定律可知：U=e=Nd4/d t=dV/dt(5)代$武 及Wm=/ou dW/dt=Jo%i dW(6)6式右边的积分为图2中阴影部分面积A,即就是说：磁场能量的大小等于磁化曲线b和纵轴所围成的面积大小。图1中，假定磁路各部分的面积相等，磁芯各部分的磁场强度为H m,气隙部分的磁场强度为H g,由全电流定律得：N I=#H d l=Hm,Im+Hg-1g=B Z (U o-l m +B/P o -1g (7)由 7 撼：I=(B/N)p m/(M o-M r)+l g/P o (8)代Wm=/Q
8、*XB/N)Im/(从o 从 J +lg/u0dV(9)又：W=N 6=N,A e*BdW=N*Ae dB(10)代1。式入Wm=/OBB/N)Im/(Mo*Ur)+lg/Po N Ae Db=Ae/FIm/(Po BjdB+Ae/Ig/uBdB=(Ae lm/po)/oBfc(B/Mr)dB+_(Ae*lg/uo)/oB1BdB(11)11式右边第一项是磁芯中的磁场能量，第二项是气隙部分的磁场能 量，分别用Wi和Wg表示；那 么：Wg/Wi=(A e-U/0)/oBdB/(Ae lm/uo)九 的(B/pr)dB(12)若 假 定Hr是不变的，那 么12式变为：Wg/Wi=pr 1g/Im(
9、13)若 用 上 例的参数：lm=76mm,lg=lmm,nr=1500将它们代入13或獴：Wg/Wi=1500 X1/76=19.7由上面分析可知，母线通过初级绕组将电能转换为磁场能量，储存在磁 芯 财 颗 部 分 中，其中大部分集中在气魄史。如下图图3中，曲 线m表 示 图1电感器无气隙时的磁化曲线，曲 线g表示有气隙时的磁化曲线。图中，面 积Am表示储存在磁芯部分的磁场 能 量；面 积Ag表示储存在气隙部分的磁场能量。上面讲了气隙的作用以及磁场能量在变压器中的分布，那 么，根据输出功率如何选用磁 芯 呢？单端反激式变压器设计思考（二）：磁芯尺寸和类型的选择A、IntemationalRe
10、ctifler 公司一 56KHz输出功率推荐磁芯型号01OWEFD15SEF16EF16EPC17EE19EF(D)20EPC25EF(D)2510-20WEE19EPC19EF(D)20EE,EI22EF(D)25EPC2520-30WEI25EF(D)25EPC25EPC30EF(D)30ETD29EER28(L)30-50WEI28EER28(L)ETD29EF(D)30EER3550-70WEER28LETD34EER35ETD3970-100WETD34EER35ETD39EER40E21摘自 InternationalRectifier,AN1018-“应用 IRIS40 xx
11、系列单片集成开关 IC开关电源的反激式变压器设计”B、ELYTONE 公司-100KHzwbymcs51 型号输出功率(W)VcerVceo;在ce间承受最高电压时最好保证be结短接或者反偏，此时晶体管就可承受较高的反偏电压。二、任何时刻都应保证磁芯不饱和；由于反激式开关变压器的特殊性，磁芯饱和问题在反激式变换器的设计中尤为重要。一旦磁芯饱和，开关管瞬间就会损坏。为防止磁芯饱和反激式开关变压器磁芯一般都留气隙，显著扩大磁场强度的范围，但仅靠气隙并不能完全解决磁芯饱和的问题，由磁感应定律很容易得出：B=Uin,Ton Ae(1)由（1）式知：磁感应强度与输入电压和导通时间有关。在输入电压一定时，
12、由反馈电路保证Ton的合适值。在工作过程中，根据磁饱和的形式分两种情况：一种是：一次性饱和：当反馈环路突然失控时，在一个周期内导通一直持续，直到过大的Ip使磁芯饱和而使开关管立即损坏；另一种是：逐次积累式饱和：磁芯每个周期都有置位与复位动作，反激式开关电源磁芯置位是由初级绕组来实现，磁芯复位是由次级绕组和输出电路来实现。当电路等设计不当时，每次磁芯不能完全复位，一次次的积累，在若干周期内磁芯饱和。就像吹气不一样，一口气吹破就相当磁芯一次性饱和；每 吹 一 次，就排气，但每次排气量都比进气量少一点，这样循环几次后，气球就会被撑破的；若每次充排气量相同，气球 就不会破的，磁芯也是如此，如下图：磁芯
13、从a-b-c为置位，从c-d-a为复位，每个周期都要 回到a,磁芯就不会饱和。对于反激式开关电源的断续模式，磁芯复位一般是不成问题的。三、始终保持变换器工作于一个模式如CCM或DCM；不要在两个模式之间转换，这两种模式不同，对反馈回路的调节电路要求也不同，在考虑某一种模式而设计的调节电路，如运行到另一模式时易引起不稳定或者性能下降。四、保证最小导通时间不接近双极性开关管的存储时间；(MOSFET管例外)在设计反激式开关电源时，特别在开关电源频率 较 高、直流输入电压最高，负载又较轻时，开关导通时间Ton最小，若这个时间接近或小于双极性晶体管的存储时间5|JS1.0|JS时，极易造成开关管失控，
14、而使磁芯饱和。此时就要重新审视开关频率的选择，或能否工作于如此高电压或者通过调节占空比来适应。或者选用其他电路拓扑。五、不要将变换器的重要元件的参数选得接近分布参数；具 体 来 说，电阻不要太大，电容器和电感器不要太小。(1)许多反激式开关电源都有一个振荡频率，由IC芯 片 提 供，如UC3842,由RC决定，当把R选择太大，C太小时，就易使稳定性特别差；如电容C小得接近分布参数，也就是说取掉该电容由线路板及其它元件间的分布参数而形成的容值都和所选的电容容值差不多；或者所选电阻太大以至于线路板上的漏电流所等效的阻值都和所选的电阻大小差不多；这将造成工作不稳定，如温度或湿度变化时其分布参数也跟着
15、变化，严重影响振荡的稳定性。R一 般 不要大于1M欧，C一般不要小于22PF。（2）反激式开关电源的输出功率如下式：（DCM）注意：由于笔误,应为:U2=U*U,D2=D*D由（2）式可知：在电流断续模式时，当电压和频率固定的情况下，输出功率和变压器的初级电感成反比。即要增加功率就要减小初级绕组的电感量。反激式开关变压器的特殊性：当开关管导通时变压器相当于仅有初级绕组的一个带磁芯的电感器，当这个电感器小到一定值时就不可太小了，当小至和分布电感值差不多时，这样变压器的参数就没有一致性，工作稳定性差，可能分布参数的变化都会使整个电感值变化一少半，电路的可靠性就无从谈起。初级电感值至少应是分布电感的
16、10倍以上。（3）同样道理，磁芯的气隙也不可选的太少，太小的话，磁 芯 稍 微 的 变 动（如热胀冷缩）对气隙来说都显得占的比例很大，这样的变压器就无一致性可言，更无法批量生产。六、反激式变换器的输出滤波电容比起其它拓扑形式的电路所受的冲击更大，它的选择好坏对整个电源的性能及寿命有举足轻重的作用。选择时，一般是按纹波电压要求初选电容值，用电容的额定纹波电流确定电容值，这样比较安全稳妥。当然，耐压值和温度等级也要足够。七、降低损耗，遏制温升，提高效率，延长寿命开关电源内部的损耗主要分四个方面：(1)开关损耗如：功率开关，驱动；(2)导通损耗如：输出整流器，电解电容中电阻损耗；(3)附加损耗如：控
17、制I C,反馈电路，启动电路，驱动电路;(4)电阻损耗如：预加负载等；在反激式开关电源中，功率开关和驱动以及输出整流部分占损耗的9 0%多，磁性元件占5%,其它占5%；损耗直接影响效率，更影响电源的稳定性和工作寿命。损耗都以发热而表现出来，晶体管和电容和磁性元件都对温度很敏感；下面看一下温度的影响：(1)温度每升高1 0 ,电解电容的寿命就会减半(2)在高温和反向电压接近额定值时，肖特基二极管的漏电很严重，就像阴阳极通路一样；(3)通用磁性材料，从2 5 到1 0 0 饱和磁感应强度下降30%左右；在这里，磁性材料的损耗虽然说占比例很小但是它对整个开关电源的影响非常大。比如在正常工作时，设计的
18、最大磁通密度偏大,由于温升的原因将使饱和磁感应强 度下降，再加上反馈回路的延迟效应而使导通时间加长，极易使磁芯饱和，瞬间开关管损坏。在此设计时，最好保证铜耗接近于磁耗，初级绕组的铜耗接近于次级绕组的铜耗以达到最优化的设计防止磁芯过渡温升。(4)MOSFET管，每升高25,栅极阀值电压下降5%；MOSFET管的最大节点温度时150,节点温度的理想值为105,最高不要超过125；MOSFET管,Rds随温度的升高而增大.(5)双极型晶体管，随温度的升高，Vee而减小，在环境温度较高或接近最高结温时，晶体管的实际最高耐压会有所下降，并且漏电流会更进一步增加，很易造成热损耗。所 以，在设计时，尽可能降
19、低元件本身损耗而造成的温升，也要注意远离热源，不因外界原因而造成温升。更要优化设计减小损耗，提高效率，延长元器件及整个电源的工作寿命。反激式变压器设计实例已知条件：输入电压：D C:3 8 0 V 7 0 0 V 输出电压：1)5 V /0.5 A2)1 2 V /0.5 A 3)2 4 V /0.3 A P W M 控制论芯片选用U C 2 8 4 2,开关频率：5 0 K H z 效率n：80%取样电压用1 2 V,5 V 用7-8 V 电压通过低压差三端稳压块得到；算得P o=5 X 0.5+1 2 X 0.5+2 4 X 0.3=1 5.7 W计算步骤：1、确定变比NN=N p/N s
20、 V o R =N(V 0+V D)N=V o R /(V O+V D)V o R 取2 1 0 V N=2 1 0 /(1 2+1)=1 6.1 取 1 62、计算最大占空比D m a xe 0.8 V O RDm=：-V m m m +V o R0.8 x 2 1 03 8 0 +2 1 0=0.2 83、选择磁芯计划选择E E 型磁芯，因此A B 为0.2 T,电流密度J 取4 A/m m 2 A p =A w A e =6 5 0 0 X P O /(A B X J X f)=2.5 1 X 1 0 3 (m m 4)通过查南通华兴磁性材料有限公司E E 型磁芯参数。盟号TYPE尺寸
21、DtnwioctfMm)有效到&Efiftctivw Pmmeltf鱼是ffi)W rSABCDBxutiFCQ Q Q 2*1Ltmmmm1wmm1EE8 3用 力8 3M 34。如13 6 8 21,810 26 130J/-0.12.819$6913509EEW/111021035*24*3 2253.2764 3 323加 511.5MHUEE13/D13.0 匐.36 0 8 25 9*3，金0/-C49 346to21430316.65012.4EEI6/1416 M 37 idboa5.0MO.44M.2n 75 240J1935.518 J65033EE16LZM16.0941
22、23 山.25.10A0.44妁.211.710.2M.255.219.7108053EE19/1619M.48.0 如 35.10A0.55 10/-0.5B.55.M 31.739.223.49104JEE19L/2719.04.41 3 f s 35.107.0.55.10/0.5n.511.4*03662.123.4143083EE2O/2120.59.510.4M仙7 0 9 350/-0.514.76.81J47.139184010EE22AZ2O22,09410.0+o.*o5 X 34.010.2u7 s+0.4/02.153 925B206JEE22B3022 0必 4105
23、M36W-0.560/-0.515.6W.7刊.4和1.96”352290123HSA/3025.095】QM36,6*0 36 6 3 31836.皿31.249.442.220$0nEE25B/19”4 如.59如036 4旬？64M.3 18.66.4831.248.040.419409628 0M.6163 5 31。6缈3 7,210 313.6123M.30.8704我】7733.5通过上面计算，考虑到还有反馈绕组，要留有一定余量，最终选择E E 2 5磁 芯。E E 2 5磁芯的A e =4 2.2 m m 2=4.2 2 X 1 0-3 m 24、计算初级匝数Np.Uinnun
24、 DmNp=-Ae L B f代入数值为：、，380 x 0.28Np=-r-3 34.22 x 10 x 0,2 x 50 x 10=252 取 250T5、初级峰值电流:Ip,2 PoIp=-n Uinmin-Dm=2 x 15.7_-0 i x 380 x 0.28=0.369(A)6、初级电感量LTU DmL=-S f_ 380 x 0.28r0.369 x 50 x 10=5.77(mH)7、次级匝数1)、12 V取样绕组Ns：Ns=Np/N=2 5 0/16 =15.6 2 5 取 16 匝2)、计算每匝电压数Te：Te=(Uo+Ud)/Ns=(12 +1)/16 =0.8 12
25、53)、7.5 V匝数:N7.5 V=U/Te=(7.5+0.5)/0.8 12 5 =9.8 4 取 10匝4)、2 4 V匝数N2 4 V=U/Te=(2 4+1)/0.8 12 55)、辅助绕组15 VN15 V=U/Te=(15 +1)/0.8 12 5 =8、计算初级线径：1)、计算电流有效值II=J卜 Ip 2=0.5773 V E=0.577X0.369X 一=0 1126(A)2)、计算线径d=3 0.7 取3 1 匝19.7 取2 0匝s=i/J=0.1126/4=0 028(mm2)=0.18(mm)9、计算次级12 V/5 V线径:1)、计算电流有效值I1=1,155 Io/-D=1.155X0.5/-0.28=0.8(A)2)、计算线径dS=I/J=0 8/4=0 2(mm2)=0.5(mm)10、计算次级2 4 V线径：1)、计算电流有效值I1=1,155 Io/-D=1.155X0.3/V o l-0.28=0.48(A)2)、计算线径dS=I/J=0.4 8/4=0.12(mm2)=0.39(mm)通过计算线径选择如下：初级用0.18 mm线绕；12 V和5 V绕组用0.2 7 mm的线双线并绕；2 4 V绕组用0.2 1mm线双线并绕；辅助绕组15 V用0.2 1mm线绕。