單端反激式開關電源變壓器的設計

基于反激式變壓器拓撲原理，設計了單端反激式變壓器，用于電纜絕緣電阻測試儀高壓電源的DC-DC逆變升壓模塊。提出單端反激式開關電源變壓器設計時一些關鍵參數(shù)的選擇原則和設計步驟及驗證方法，總結了設計過程中的一些注意事項。使用結果表明：該設計方法在簡化和明確變壓器設計過程的同時，所設計的變壓器應用于絕緣電阻測試儀升壓模塊中約250 V的逆變升壓時表現(xiàn)出穩(wěn)定的升壓性能。

　　變壓器的使用在升壓和降壓電源中很常見，開關電源根據(jù)不同的輸出要求采用不同的變壓器拓撲電路，同樣的電源也采用不同的變壓器拓撲實現(xiàn)。在所有拓撲中反激式變壓器構成的升壓式開關電源具有電路簡單、元器件最少的優(yōu)點，在小功率開關電源中經(jīng)常采用。而變壓器的設計需要技術人員根據(jù)一些經(jīng)驗參數(shù)來進行變壓器的設計和繞制。會出現(xiàn)經(jīng)驗設計多于準確的參數(shù)設計，而且在高頻條件下變壓器的設計和制作不同于普通的工頻變壓器，更加需要實際經(jīng)驗和理論設計兩者相互結合。本文結合實際設計和制作變壓器的經(jīng)驗，提出一種工作于斷續(xù)電流模式(DCM)下的反激式變壓器設計方案，并給出相關參數(shù)設計方法。

　　1 反激式變壓器的基本工作原理

　　圖1(a)為反激式變壓器的工作原理圖，其中，開關管VT1的導通和截止使得原邊繞組線圈產(chǎn)生交變電流信號。當原邊繞組導通期間，次級繞組輸出電壓為上負下正，整流二極管VD1和VD2截止，輸出電容Co和Cf放電；當原邊繞組截止時次級輸出電壓為上正下負，整流二極管VD1和VD2導通，輸出電容Co和Cf充電，與正激式電路充放電過程相反?？梢詮妮斎胼敵鲭妷骸㈦娏鞑ㄐ侮P系圖1(b)中得出DCM模式下的工作過程。其中PWM、UDS、IDl，IF1、Io1、Uo2分別為開關管VT1柵極脈寬調(diào)制信號、漏源極電壓、整流二極管VD1和VD2電流、負載輸出端Co正極性端電壓波形、反饋輸出端Cf正極性端電壓波形。

　　2 單端反激式變壓器設計

　　單端反激式變壓器設計流程如圖2所示，首先根據(jù)逆變升壓模塊前后電路的需要，列出輸入電壓、輸出電壓參數(shù)、開關頻率、額定輸出功率等整個系統(tǒng)需要變壓器完成的參數(shù)要求，包括Uin(min)、Dmax、F、Po(max)分別為輸入直流電壓最小值10 V、最大占空比、開關頻率10kH-z、輸出最大功率15W等參數(shù)，然后再按照下面步驟設計合適的開關變壓器。

　　2．1 選定工作點

　　最低的交流輸入電壓，對應于最大的輸出功率，由原邊電感電流在開關管導通和截止期間電流的峰值相等和電磁感應定理得到：

　　式中，Uor為原邊反激電壓，單位為V；L為原邊電感，單位為H。

　　占空比Dmax和反激電壓Uor的關系：

　　求出占空比后，在前端脈寬調(diào)制電路中控制前端信號的占空比，使其符合變壓器的設計要求。此外，反饋調(diào)節(jié)占空比可以穩(wěn)定和達到要求的輸出電壓。

　　從式(3)可知，反激電壓和占空比的關系可以在后續(xù)變壓器調(diào)節(jié)中選擇合適的開關管，占空比越小，反激電壓就越小。

　　2．2 磁芯的選擇

　　高頻變壓器的最大承受功率Po(max)與磁芯截面積Ae和窗口面積的面積積Ap之間存在：

　　由實際功率可以計算出最大輸出功率，升壓開關電源的效率一般在80％～90％之間，設計中η取80％，Po為15w，Ku為窗口利用系數(shù)，取典型值0．29，Bmax取一般值O．25 T，Kj為電流密度，取一般值600 A／cm2。每個磁芯都有固定的面積積，在廠家提供的磁芯參數(shù)表里面查詢大于或等于所求面積積的磁芯，可以獲得符合要求的EE形磁芯，其中磁芯EE-25參數(shù)如圖3(a)所注，其中相關尺寸數(shù)據(jù)如下：

　　由于EE-25的面積積為0．428，大于0．384，因此，選擇EE-25型磁芯。

　　2．3 原邊繞組電流