反激电源变压器设计技术.docx

反激电源变压器设计模块
摘要
在功率转换装置中，变压器一般都作为体积、重量最大的组件出现。同样，对于电力电子系统的整体性能、效率乃至成本而言，变压器也起着至关重要的作用。在变压器设计的过程中，由于变压器各参数之间的相互依存和影响，全局的考虑和方方面面权衡折中是实现设计优化的关键。
在DC/DC模块中，反激电路作为输出隔离的电源产品常用主电路拓扑，其变压器是实现隔离、功率传递的核心之一。在下文中，将以这种电路的变压器设计为主要内容，阐述设计要点和一般步骤。
关键词
变压器反激电感气隙匝比磁芯材料
本模块起草人：赵瑞杰
专业术语
主要参数：
输入参数电路参数磁芯参数设计参数总视在功率电流密度面积乘积窗口系数转换效率原边电流有效值I1有效截面积波形系数工作频率副边电流有效值I2窗口面积最大工作磁密输入电压U1穿透深度饱和磁密匝比n输出电压U2铜损磁芯表面积原边匝数Np铁损剩磁副边匝数Ns平均绕组长度MLT有效平均磁路长度原边绕组电感气隙长度每匝平方电感量AL磁芯体积单位体积的磁芯损耗来源
反激变换器XJ104E-1335的主功率变压器为例
适用范围
反激变压器的一般设计。
满足技术指标
反激变压器输入电压176~264VDC工作频率45kHz输出电压5V/8A、±15V/1A最大占空比0.45电源输出功率70W整机效率83%详细电路图
反激变换器的电路原理图

变压器工作原理
简述反激电路的工作原理以及变压器的工作特性。
反激电路工作原理以及变压器的工作特性如下：当主开关管Q1导通时，变压器初级电压近似为电源电压，其极性为上正下负，与之对应的变压器次级电压为上负下正，此时整流二极管D1反向截止，负载的能量由输出电容提供。与此同时，流过变压器初级电感和Q1的电流逐渐上升，此时变压器相当于一个储能电感，在开关管导通期间储存能量。
当主开关管Q1截止时，D1正向导通，变压器将储存的能量通过整流二极管提供给负载和输出电容。此时流过D1的电流逐渐下降，假设变压器工作在能量完全传递工作模式（DCM模式），则流过整流二极管的电流会一直下降到零。即每个工作周期变压器初级电感储存的能量被完全传递到变压器的次级侧。
对于能量不完全传递工作模式（CCM模式），电压和电流的波形会有所差别，其工作原理和能量完全传递工作模式类似。
变压器设计
6．0变压器概述
在对任何变压器的设计过程中，都会遇到以下的种种限制。首先是功率传输（工作电压乘以最大电流）方面，变压器次级绕组必须在限定的调整率（一般定义为空载输出电压与额定负载输出电压的差的绝对值除以额定负载输出电压所得到的百分比）下有足够的能力将能量传至负载。其次是最低工作效率，这方面取决于变压器允许的最大功率损耗。另外在特定温度环境下还有最大允许温升的要求。除了以上在性能方面的设计限定外，另外还有诸如体积、重量、价格等方面的工程要求。
在设计中，依据要求或是手册，某个设计要求将成为占主导和必须确保因素。影响其他性能的因素将适当折中考虑以期达到最优设计。由于参数间的相互作用和联系，在一个设计中优化所有参数是不可能的。比如说，如果体积重量是首要考虑的问题，那么由此而采取的高频变压器，其损耗劣势将会自然凸现。当频率要求不能过高时，为了减小体积重量，势必选用更高效率的磁性材料，那么我们又将直面价格问题。折中和权衡直接影响设计结果。
需要考虑的设计参数之间的联系见下图表述。
变压器的传输功率对于设计来说是一个重要参数，视在功率作为功率处理能力的指标，其大小对于变压器的几何形状和尺寸大小起决定作用，由于功率变压器处理初级输入和次级输出的功率，所以定义视在功率。的大小在2到2.828倍的输入功率间变动，具体数值取决于变压器电路的结构类型。例如对于有中间抽头绕组变压器原边电流连续的情况，其功率要乘以1.414的系数。而对于电流不连续的变压器情况，其视在功率，视在功率和满足=，=；、、、分别为变压器原副边电压和电流的有效值，有；与模块输入功率和输出功率的简单相加不相等。
效率方面，变压器的效率定义为输出功率和输入功率的百分比，输入功率包括输出功率、铁损和铜损，由于铜损大小可以近似为与输出功率的平方成正比，
对该式求导数，可以推导，当铜损=铁损的时候，效率最高。
面积乘积AP以及窗口面积、窗口系数、有效截面积、MLT、电流密度的确定能确定诸如变压器表面积、体积、重量、温升等特性，但是要在效率和尺寸间作出优化，选择磁芯材料就是要考虑的重要因素了。
磁芯材料的选择要根据磁芯的工作状态，在电力电子变换器中，磁芯的工作状态有三类：
双向磁化是第一类工作状态，其外加激励电压是纯交变量，代表电路是推挽电路。这类工作状态的磁芯要求高BS，高导磁率，低损耗。
第二类工作状态其磁芯单向磁化，传递单向脉冲的变压器，其外加激励电压一般是单向矩形脉冲，代表