單端反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

基于反激式變壓器拓?fù)湓?，設(shè)計(jì)了單端反激式變壓器，用于電纜絕緣電阻測(cè)試儀高壓電源的DC-DC逆變升壓模塊。提出單端反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)時(shí)一些關(guān)鍵參數(shù)的選擇原則和設(shè)計(jì)步驟及驗(yàn)證方法，總結(jié)了設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)。使用結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方法在簡(jiǎn)化和明確變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程的同時(shí)，所設(shè)計(jì)的變壓器應(yīng)用于絕緣電阻測(cè)試儀升壓模塊中約250 V的逆變升壓時(shí)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(jiàn)，開(kāi)關(guān)電源根據(jù)不同的輸出要求采用不同的變壓器拓?fù)潆娐?，同樣的電源也采用不同的變壓器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。在所有拓?fù)渲蟹醇な阶儔浩鳂?gòu)成的升壓式開(kāi)關(guān)電源具有電路簡(jiǎn)單、元器件最少的優(yōu)點(diǎn)，在小功率開(kāi)關(guān)電源中經(jīng)常采用。而變壓器的設(shè)計(jì)需要技術(shù)人員根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來(lái)進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)和繞制。會(huì)出現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多于準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)計(jì)，而且在高頻條件下變壓器的設(shè)計(jì)和制作不同于普通的工頻變壓器，更加需要實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論設(shè)計(jì)兩者相互結(jié)合。本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)和制作變壓器的經(jīng)驗(yàn)，提出一種工作于斷續(xù)電流模式(DCM)下的反激式變壓器設(shè)計(jì)方案，并給出相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管VT1的導(dǎo)通和截止使得原邊繞組線圈產(chǎn)生交變電流信號(hào)。當(dāng)原邊繞組導(dǎo)通期間，次級(jí)繞組輸出電壓為上負(fù)下正，整流二極管VD1和VD2截止，輸出電容Co和Cf放電；當(dāng)原邊繞組截止時(shí)次級(jí)輸出電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1和VD2導(dǎo)通，輸出電容Co和Cf充電，與正激式電路充放電過(guò)程相反?？梢詮妮斎胼敵鲭妷?、電流波形關(guān)系圖1(b)中得出DCM模式下的工作過(guò)程。其中PWM、UDS、IDl，IF1、Io1、Uo2分別為開(kāi)關(guān)管VT1柵極脈寬調(diào)制信號(hào)、漏源極電壓、整流二極管VD1和VD2電流、負(fù)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。

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　　2 單端反激式變壓器設(shè)計(jì)

　　單端反激式變壓器設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)頻率、額定輸出功率等整個(gè)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(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)合適的開(kāi)關(guān)變壓器。

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　　2．1 選定工作點(diǎn)

　　最低的交流輸入電壓，對(duì)應(yīng)于最大的輸出功率，由原邊電感電流在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和截止期間電流的峰值相等和電磁感應(yīng)定理得到：

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　　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(guān)系：

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

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　　從式(3)可知，反激電壓和占空比的關(guān)系可以在后續(xù)變壓器調(diào)節(jié)中選擇合適的開(kāi)關(guān)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：

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　　由實(shí)際功率可以計(jì)算出最大輸出功率，升壓開(kāi)關(guān)電源的效率一般在80％～90％之間，設(shè)計(jì)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(gè)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(guān)尺寸數(shù)據(jù)如下：

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

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　　2．3 原邊繞組電流

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