反激式高頻變壓器的分析與設(shè)計(jì)

石油人在北京

反激式高頻變壓器的分析與設(shè)計(jì)
王牧之，王君艷
(上海交通大學(xué)，上海200240)
摘要：隨著反激式高頻鏈逆變器在小功率領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，為了研究出其核心部件：反激式高頻變壓器有效實(shí)用
的設(shè)計(jì)方式。在此結(jié)合了A，法及電流密度經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)于變壓器A。值的確定方法進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例．用詳實(shí)、具
體的步驟揭示了高額變壓器設(shè)計(jì)、制作的復(fù)雜程序。最后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。設(shè)計(jì)實(shí)例中的實(shí)驗(yàn)品在250 VA反激式高頻
鏈逆變器中進(jìn)行了測(cè)試使用，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的變壓器性能良好，設(shè)計(jì)方法清晰、明了。
關(guān)鍵詞：高頻鏈；高頻變壓器；反激式；氣隙
中圈分類(lèi)號(hào)：TN919-34；TM402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—373X(2011)08—0157—04
Analysis and Design of Flyback High-frequency Transformer
WANG Mu-zhi。WANG Jun—yan
(Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240。China)
Abstract：As the application of flyback high—frequency link inverter is increasingly expanded in the field of low power，it
is necessary tO work out how to efficiently design its core component，flyback high frequency transformer．In combination
with the Ap method and empirical formula of the current density，the way tO determine the AP value of a transformer is im—
proved．The complex procedures of the high frequency transformer design are revealed with detailed examples and specific
steps．The designed prototype was tested in a250 VA flyback high frequency link inverter to verify the design effect．The test
results show that the transformer works well and the design method is feasible．
Keywords：high—frequency link；flyback high-frequency transformer inverter air gap
0引言
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷
擴(kuò)大．傳統(tǒng)的工頻逆變器因存在變壓器體積過(guò)大、輸出
濾波器笨重、容易產(chǎn)生音頻噪聲及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性
較差等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)現(xiàn)代電源技術(shù)發(fā)展的潮流與需
求，而高頻鏈逆變器則因?yàn)閾碛懈呖煽啃�、高效率、高頻
化、高功率密度、低損耗等特點(diǎn)，正在逐漸取代傳統(tǒng)的工
頻逆變器，成為新一代逆變器的主流發(fā)展方向之一。
作為高頻鏈逆變器的核心部件，高頻變壓器同時(shí)具
備傳輸能量、電氣隔離、儲(chǔ)能、升降壓等功能。其性能好
壞，將直接決定整個(gè)逆變器性能的優(yōu)劣。在各類(lèi)高頻變
壓器的設(shè)計(jì)中。以反激變換器拓?fù)渲械淖儔浩髯顝?fù)雜，
而在小功率范圍內(nèi)。反激式高頻鏈逆變器的拓?fù)淠壳笆?br /> 綜合性能最好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，本文的研究重點(diǎn)將放
在反激式高頻鏈逆變器的高頻變壓器的設(shè)計(jì)上。
1反激式高頻鏈逆變器簡(jiǎn)介
反激式(Flyback)高頻鏈逆變器又稱(chēng)電流型高頻鏈
收稿日期：2010—12-07
逆變器，它是以反激變換器拓?fù)錇榛�礎(chǔ)演變而來(lái)的，其
電路拓?fù)淙鐖D1所示。它由高頻逆變器、高頻變壓器和
周波變換器組成，其中高頻變壓器不僅提供電氣隔離和
電壓調(diào)整而且還可以存儲(chǔ)能量，因此可以省掉輸出濾波
電感。相比于其它結(jié)構(gòu)的高頻鏈逆變器，反激變換器的
電流源高頻鏈逆變器具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量雙向流
動(dòng)、控制易于實(shí)現(xiàn)、無(wú)電壓過(guò)沖問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 反激式高頻鏈逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
針對(duì)反激式高頻鏈逆變器的高頻變壓器設(shè)計(jì)需要
注意以下2點(diǎn)：
(1)反激型電路工作于電流斷續(xù)模式時(shí)，變壓器的
磁芯利用率較高，I]。故在設(shè)計(jì)反激型變壓器時(shí)，應(yīng)根據(jù)
DCM模式下的公式去計(jì)算原副邊電壓比；
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
158 現(xiàn)代電子技術(shù)2011年第34卷
(2)在設(shè)計(jì)反激型電路的變壓器時(shí)，必須設(shè)計(jì)足夠
的磁芯氣隙來(lái)防止磁芯飽和狀態(tài)并平衡直流成分。
2變壓器設(shè)計(jì)分析
2．1磁芯材料
設(shè)計(jì)高頻變壓器首先從選擇磁芯材料開(kāi)始，高頻開(kāi)
關(guān)電源的變壓器磁芯大多是在低磁場(chǎng)下使用的軟磁材
料。具有較高的磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)
率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)不大的激磁電流就能夠
承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可
減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也
少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。各種磁芯物理性
能及價(jià)格比較如表1所示【2]。鐵氧體材料是復(fù)合氧化
物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但飽和磁通比
較小。本文設(shè)計(jì)就采用鐵氧體材料。
裹1 各類(lèi)型磁芯物理性能及價(jià)格對(duì)照衰
2．2磁芯尺寸
確定變壓器尺寸較為簡(jiǎn)潔常用的方法是A。法
(A。一A。A。)，即通過(guò)計(jì)算磁芯截面積A。和窗口截面
積A，的乘積值來(lái)選擇磁芯材料的尺寸型號(hào)，變壓器的
A。值可由式(1)確定‘¨。
kf“，df
AP—AeAW 2畝n)
對(duì)于半橋型及全橋型變換電路，由變壓器電壓、電
流及功率間的關(guān)系，式(1)可進(jìn)一步表示為【3]：
Ap 2瓣rt (2)
式中：／為開(kāi)關(guān)頻率，P，為原邊與副邊的總視在功率。
如果變壓器的溫升限制在30℃，導(dǎo)線的電流密度
J(單位：A／m2)可以由經(jīng)驗(yàn)公式[31求得：
J=450×104×Aio·125 (3)
將式(3)代入式(2)，并將A。的量綱轉(zhuǎn)換成
cm4得：
A，=＼2△墩P,。>×45104。I)l‘143=＼1△1擻．I糾P,‘“3(4)
式中：／取變壓器工作頻率，志。取常用值0．4。
P。可由輸出視在功率P。和效率刁確定。但會(huì)隨線
路結(jié)構(gòu)不同而有不同的關(guān)系心]。當(dāng)原邊與副邊均無(wú)中
心抽頭時(shí)：
P。=P。(1／呀+1) (5)
當(dāng)原邊無(wú)中心抽頭，副邊有中心抽頭時(shí)：
P。=P。(1／,／+摳) (6)
當(dāng)原邊與副邊均有中心抽頭時(shí)：
P。=P。(1／r}4-1)√蠆(7)
對(duì)于圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，P，的表達(dá)式適用于式(5)。
工作磁通密度變化量AB。。則根據(jù)不同的電路結(jié)構(gòu)
和磁芯飽和磁通密度確定，若變換器為單端電路，磁芯
磁通的變化曲線如圖2(a)所示，因此AB。。應(yīng)小于磁芯
材料的飽和磁通密度與剩余磁通密度之差；若變換器為
雙端電路，由于磁通可在正負(fù)雙向變化(如圖2(b))，則
AB。。應(yīng)小于磁芯材料的飽和磁通密度的2倍[1]。除了
符合以上條件外，還應(yīng)適當(dāng)降低AB。。，以防磁芯在某工
作頻率下?lián)p耗過(guò)大導(dǎo)致過(guò)熱。
‘!77—I— 廠f
| ～ f k』．
廠．) 硅
，／
Z．·^￡一．
(a)單端電路lbJ雙端電路
圖2磁芯磁角變化曲線
2．3原邊繞組與副邊繞組匝數(shù)
原邊匝數(shù)可根據(jù)式(8)確定，即：
N，=盈Ui_,ton瓦=萬(wàn)U麗’OmZax (8)
式中：N。為原邊繞組；U，為原邊直流電壓；t。。為導(dǎo)通時(shí)
間；D。。為工作電路中的最大占空比；△B。。為交變工作
磁密，△B為交變工作磁密擺幅；f。為工作頻率。
副邊匝數(shù)則根據(jù)不同電路結(jié)構(gòu)的輸人輸出電壓關(guān)
系計(jì)算：
N，=K。Np I廳Jo (9)
式中：N，為副邊繞組；U。為輸出電壓(單位：V)；K。為
電路結(jié)構(gòu)系數(shù)，在不同的電路結(jié)構(gòu)下有不同的表達(dá)式，
在反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，因此電路結(jié)構(gòu)系數(shù)K�？捎�
式(10)[41表示：
K。=√2(1一D。。)／D。。(10)
2．4原邊繞組與副邊繞組導(dǎo)線尺寸選擇
首先計(jì)算原邊電流平均值，。。。。和副邊輸出電流值
J。，并由式(3)確定電流密度J，再由：