基于I～P特性的反激式電源高頻變壓器磁芯選擇

夏永洪，顧偉華，朱德省，朱佳偉

(1.南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031 2.江蘇林洋能源股份有限公司，江蘇 啟東 226200)

0 引 言

反激式開關電源相較于傳統線性電源，具有體型輕巧和輸出穩定的優勢，因而得到了廣泛的應用[1]。高頻變壓器作為反激式開關電源的核心部件，其磁芯的合理選擇對電源的工作性能和設計成本起著決定性的作用。

文獻[2-5]采用AP(面積乘積)法選擇高頻變壓器的磁芯，即根據計算得到的AP值選擇最為接近的磁芯規格，但由于在AP值的計算過程中有較多人為設定的中間量，因此得到的AP值只是一個近似結果，從而會存在一定的偏差。文獻[6]在現有磁芯AP選擇法的基礎上，通過改進AP法的中間計算量使得磁芯選擇結果更加準確，但該方法所得到的結果依然是一種估算值。文獻[7-9]根據不同磁芯在同一條件下的高頻損耗來選擇合適的磁芯，但在磁芯選擇過程中尚未考慮不同磁芯結構對電源功率特性的影響。文獻[10,11]借助有限元工具實現了不同磁芯高頻變壓器的設計建模，并對不同磁芯的性能參數進行了分析，為該類高頻變壓器的磁芯選擇提供了參考。

與現有采用AP法選擇高頻變壓器磁芯的方法不同，提出一種基于電源I～P特性的高頻變壓器磁芯選擇方法。建立反激式開關電源聯合仿真模型，對不同磁芯的高頻變壓器對應的電源I～P特性進行計算，并采用實驗測試的方法對計算結果加以驗證。同時根據仿真結果，推導不同磁芯的I～P特性擬合公式，結合磁芯的最大工作磁密得到電源最佳輸出功率，以實現電源在不同應用功率區間下磁芯的合理選擇。

1 高頻變壓器的有限元建模

1.1 反激式開關電源參數

反激式開關電源的工作電壓為220 V，電源最大設計功率為9 W，設計負載輸出電壓UO為13 V，對應的開關控制芯片為VIPER16L，內置開關MOS管，開關頻率為60 kHz。高頻變壓器參數為：磁芯為EF20，磁芯材質為PC40，原邊電感量LP為5 mH，繞組個數為2，原邊繞組匝數NP為134匝，副邊繞組匝數NS為18匝。同時在不改變磁芯材質的前提下，對高頻變壓器磁芯為EE16也進行了研究，兩種磁芯參數如表1所示。

表1 磁芯EF20和EE16的參數對比

1.2 有限元建模

根據已確定的高頻變壓器參數，搭建了磁芯分別為EF20和EE16時的高頻變壓器2D模型，兩種模型在氣隙長度和繞組線徑上完全相同。同時為了保證兩種磁芯結構對應的模型在繞組匝間距上的一致性，其中磁芯EF20模型采用繞組居中密繞法，磁芯EE16模型采用滿層繞制法，如圖1所示。

圖1 兩種磁芯對應的高頻變壓器2D模型

通過對圖1兩種磁芯的2D模型進行計算，得到了磁芯EF20和磁芯EE16對應的高頻變壓器原邊電感量LP分別為5 mH和3.2 mH。

2 反激式開關電源I～P特性聯合仿真

2.1 聯合仿真模型的搭建

將圖1中兩種磁芯的2D模型導入Simplorer軟件中，并建立反激式開關電源聯合仿真模型，如圖2所示，相應的聯合仿真參數，如表2所示。其中高頻變壓器原邊等效直流輸入電壓Uin可根據電源的工作電壓近似取值；PWM控制器的開關周期可根據開關頻率確定；MOS管寄生電容Cds和導通電阻Rds參考控制芯片VIPER16L的手冊。

圖2 反激式開關電源聯合仿真模型

2.2 I～P特性聯合仿真

基于聯合仿真模型和仿真參數，可得到對應各負載功率PO的高頻變壓器原邊電流峰值IPmax，從而確定相應的電源I～P特性曲線。

表2 聯合仿真參數

以電源最大設計功率9 W為例，根據負載輸出電壓為13 V計算得到了負載RL為18.78 Ω。在圖2所示的仿真模型中，通過調節PWM控制器的輸出占空比可滿足負載輸出電壓為13 V，并得到兩種磁芯對應的高頻變壓器原邊電流波形，以及相應的電流峰值IPmax，如圖3所示。

圖3 高頻變壓器原邊電流波形

由圖3可知，當電源的工作電壓和負載功率分別為220 V和9 W時，磁芯EF20和EE16對應的高頻變壓器原邊電流峰值分別為266.9 mA和331.1 mA。同理，可以計算兩種磁芯對應各負載功率點時的高頻變壓器原邊電流峰值，即為I～P特性曲線，如圖4所示。

圖4 工作電壓220 V時兩種磁芯的I～P特性曲線

2.3 實驗驗證

為了驗證聯合仿真模型計算得到的I～P特性曲線的準確性，根據前面高頻變壓器的相關參數，研制了2臺采用不同磁芯構成的高頻變壓器樣機，分別在基于VIPER16L的反激式開關電源模塊中進行了實驗測試，測試平臺如圖5所示，得到了工作電壓為220 V時兩種磁芯的I～P特性測試結果，并與圖4所示的仿真曲線進行對比，如圖6所示。

圖5 電源模塊功率特性測試平臺

圖6 工作電壓220 V時兩種磁芯的I～P特性仿真與測試結果比較

由圖6可知，在同一工作電壓下，聯合仿真計算結果和實驗測試得到的I～P特性曲線吻合較好，說明了采用聯合仿真得到的I～P特性曲線的準確性。

3 基于I～P特性的高頻變壓器磁芯選擇

根據圖4所示的兩種磁芯I～P特性聯合仿真結果，借助Matlab軟件擬合工具，選取I～P特性仿真曲線中的整數功率點，如圖7所示。

圖7 兩種磁芯I～P特性擬合功率點

根據圖7(a)的10個數據點，得到了磁芯EF20的電源I～P特性擬合公式:

(1)

根據圖7(b)的10個數據點，得到了磁芯EE16的電源I～P特性擬合公式:

(2)

根據I～P特性擬合公式，可以計算得到兩種磁芯對應的開關電源最佳輸出功率PC，該輸出功率PC與高頻變壓器磁芯的最大工作磁密BM有關。

兩種磁芯的最大工作磁密均為0.3T，則兩種磁芯對應最佳輸出功率PC時的高頻變壓器原邊電流峰值IPmax為：

(3)

根據式(3)計算得到了磁芯EF20和EE16對應的原邊電流峰值IPmax分別為269.34和241.20 mA。

將磁芯EF20和EE16對應的原邊電流峰值IPmax分別代入式(1)和式(2)，得到了磁芯EF20和EE16對應的最佳輸出功率PC分別為9.34和4.66 W。

為了驗證上述擬合公式計算結果的準確性，在仿真模型中對最佳輸出功率PC分別為9.34 W和4.66 W時的高頻變壓器原邊電流峰值進行了仿真計算，并與擬合公式計算結果進行了對比，如表3所示。

表3 最佳輸出功率下原邊電流峰值仿真模型和擬合公式計算結果對比

由表3可知，在最佳輸出功率下，擬合公式計算得到的IPmax與聯合仿真的計算結果誤差很小，證明了擬合公式計算結果的準確性。

根據兩種磁芯對應的電源最佳輸出功率PC，并結合電源的最大設計功率(9 W)，可為開關電源在不同的功率應用區間選擇合理的磁芯，如表4所示。

表4 電源不同應用功率區間的磁芯選擇

由表4可知，當電源應用功率區間為0～4.66 W和4.66～9 W時，選用的磁芯分別為EE16和EF20。相較于磁芯EE16，磁芯EF20可應用的電源功率區間更大，但當電源功率未超過4.66 W時，選用磁芯EE16的經濟性更好。

4 結 論

針對反激式開關電源中高頻變壓器磁芯的合理選擇進行了研究，提出了一種基于電源I～P特性的高頻變壓器磁芯選擇方法。建立了反激式開關電源聯合仿真模型，對不同磁芯的電源I～P特性進行了計算，通過對特性曲線的處理，推導了不同磁芯對應的I～P特性擬合公式。根據磁芯最大工作磁密得到了不同磁芯對應的電源最佳輸出功率，并結合電源的最大設計功率，實現了開關電源在不同功率應用區間的磁芯合理選擇，可降低反激式開關電源的設計成本。反激式開關電源模塊功率特性測試結果，與聯合仿真結果吻合較好，驗證了該方法的正確性。