單端反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

顧偉康

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司 湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

這些年來，伴隨電源技術(shù)的不斷革新，開關(guān)電源技術(shù)正向著小巧、高頻、集成化的目標(biāo)邁進(jìn)。單端反激式變壓器以其所占體積小、造價(jià)低廉、效率較高等優(yōu)勢，非常合適各種功率較小的開關(guān)電源[1,2]。然而，反激式變壓器的設(shè)計(jì)卻仍有很多困難，鐵磁內(nèi)芯、電感量、間隙、繞組的匝數(shù)及繞法等等，都需要反復(fù)設(shè)計(jì)修正。此外，反激式變壓器所特有的電流連續(xù)、斷續(xù)兩種工作形式，給其設(shè)計(jì)計(jì)算增加了難度。文本詳細(xì)給出了單端反激式變壓器的通用設(shè)計(jì)思路，統(tǒng)一了不同工作形式下的計(jì)算公式，并以設(shè)計(jì)實(shí)例加以具體說明。

1 單端反激式變壓器的工作原理

反激式變壓器的工作原理如圖1所示。

在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊繞組電壓極性上正下負(fù)，此時(shí)副邊繞組感應(yīng)到的電壓極性為上負(fù)下正，從而二極管D1被關(guān)斷。直流電壓加在變壓器原邊繞組兩端，使電感線圈中的電流線性增大。由于二極管D1反向偏置阻斷了輸出負(fù)載電流對(duì)變壓器的影響，因此這個(gè)階段變壓器的儲(chǔ)能隨著輸入電流的增加而變大，而輸出電容CO提供維持負(fù)載所需的能量。

在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸入電流消失。但因原邊電感的存在，原邊繞組電流無法突變，依舊保持原方向流動(dòng)，導(dǎo)致開關(guān)管漏極輸出結(jié)電容被快速充電，從而和等效電感產(chǎn)生高頻震蕩，在開關(guān)管漏極產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓，使得原邊繞組兩端的電壓極性突變?yōu)樯县?fù)下正。從而副邊繞組上感應(yīng)為上正下負(fù)，則二極管D1導(dǎo)通。原邊電感儲(chǔ)存的磁能向負(fù)載傳遞釋放。可以看出，反激式變壓器在開關(guān)工作中既起變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。

2 單端反激式變壓器的設(shè)計(jì)

單端反激式變壓器設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。根據(jù)下面步驟設(shè)計(jì)合適的變壓器。

2.1 確定系統(tǒng)要求

Vacmax，Vacmin，Umax，Umin，Vo，Po，η等參數(shù)值的確定。

Vacmax，Vacmin：交流輸入電壓最大值和最小值。

建議的交流輸入范圍如表1。

表1 建議的AC輸入范圍

Umax，Umin：整流濾波后的直流電壓最大值和最小值。

Vo，Po：輸出電壓和功率。

η：電源效率，如果沒有更好的參數(shù)依據(jù)，可設(shè)為0.8。

2.2 確定最大占空比（Dmax）

最大占空比為：

式中，VOR為反射電壓，VDS為topswitch導(dǎo)通時(shí)的漏源平均電壓。

羌族的非遺文化摻不得假。我看現(xiàn)在廣場上的羌族舞蹈太不恰當(dāng)了，原來的味道全變完了。我在羌寨跳舞從不主張放音樂，都是唱羌族歌曲的。把沙朗舞視為廣場舞來跳的做法，是我無法預(yù)料和難以接受的。去年在“北川沙朗節(jié)”上，流行音樂剛一放，我覺得整個(gè)沙朗舞的味道立馬就變完了。我小時(shí)候會(huì)唱幾百首沙朗歌曲。我們羌族女子只要會(huì)說話就會(huì)唱歌的。網(wǎng)絡(luò)流傳的《羌魂》視頻里的沙朗舞曲就是我唱的。我的原生態(tài)唱法是從媽媽、婆婆那里學(xué)來的。以前農(nóng)忙時(shí)，一座山走一圈要幾十公里。那時(shí)候?qū)ι礁瑁信畬?duì)冒火了，都要打架的，對(duì)不上就要整人。晚上兩三點(diǎn)做完活路，要吃夜宵，夜宵吃完了，再跳沙朗舞。

其中，開關(guān)管耐壓要大于反射電壓加輸入電壓之總和，顯然還需有一定的設(shè)計(jì)裕度。對(duì)于topswitch器件，VOR一般為75～140 V，太小了占空比低效率低，太大了容易擊穿開關(guān)管。從實(shí)際情況考慮，VDS應(yīng)設(shè)在10 V，它會(huì)略微增加Dmax。

2.3 確定原邊脈動(dòng)電流IR和峰值電流IP的比例因素Kap

在電流連續(xù)模式下Kap＜1，電流斷續(xù)模式下Kap＞1。依據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，Kap在寬、窄電壓輸入時(shí)分別取值 0.4～1 和 0.6～1。

2.4 確定原邊電流平均值、峰值和有效值

知道最大占空比Dmax和電流比例因素Kap之后，易得原邊電流的波形，從而可以計(jì)算出平均電流IAVG，峰值電流IP和有效值電流IRMS，計(jì)算公式分別如下：

2.5 確定Ae、Le、AL、BW等的參數(shù)值

利用表2根據(jù)fs和Po選擇磁芯和骨架，再從磁芯和骨架的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查得Ae、Le、AL、BW等的參數(shù)值。

Ae：磁芯等效截面積；

Le：磁芯等效磁路長度；

BW：骨架寬度。

根據(jù)fs和Po以及變壓器結(jié)構(gòu)類型選擇磁芯和骨架，如表2所示。

表2 變壓器磁芯

2.6 確定原邊電感量

原邊電感量為：

式中：Z為損耗分配因素，fs為開關(guān)頻率。

2.7 確定原邊繞組匝數(shù)

在斷續(xù)電流工作模式下，由電磁感應(yīng)定律可以推出：

式中，Np為原邊繞組匝數(shù)，Bmax為磁芯飽和磁通密度。

2.8 確定副邊繞組匝數(shù)和偏置繞組匝數(shù)

式中，Ns為副邊繞組匝數(shù)，NB為偏置繞組匝數(shù)，VD為輸出二極管正向電壓，VBD為偏置二極管電壓。

2.9 確定副邊電流峰值和有效值

式中，Isp為副邊電流峰值，ISRMS為副邊電流有效值。

2.10 確定原副邊的導(dǎo)線線徑和繞線方式

導(dǎo)線的最小線徑可以從電流密度定義中求出：

式中，D為導(dǎo)線直徑，為電流密度，一般取4～6 A/mm2。

2.11 確定氣隙寬度Lg

設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，為了防止磁飽和，應(yīng)將一個(gè)合適的氣隙置于磁回路中，計(jì)算公式如下：

式中：Lg單位為 mm，Ae單位為 cm2，AL單位為nH/N2，單位為μH。

至此，單端反激式變壓器的主要參數(shù)已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完成。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的反激式變壓器主要參數(shù)：輸入AC 230 V、50 Hz；輸出3路，其中主輸出為DC 20 V、0.5 A，輔輸出為DC 20 V、0.5 A，反饋偏置輸出為15 V；效率η取0.8。

電路圖如圖3所示，選擇topswitch222[3]作為開關(guān)管，交流輸入電壓經(jīng)全橋整流濾波后輸入直流電壓。在反饋偏置回路中，穩(wěn)壓器件TL431[4]作為基準(zhǔn)和反饋誤差放大器，采樣輸出并產(chǎn)生誤差電壓。該誤差電壓通過光耦PC817轉(zhuǎn)換為誤差電流作為控制topswitch的輸入信號(hào)。開關(guān)管產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整占空比來控制輸出電壓的大小。

根據(jù)前述公式計(jì)算可得到變壓器的參數(shù)如表3所示。

表3 變壓器各參數(shù)值

電壓輸出波形如圖4所示。從圖中可以看出兩路輸出電壓基本穩(wěn)定在20 V，紋波較小，說明所設(shè)計(jì)的變壓器參數(shù)是合理的。

4 結(jié) 論

本文所提出的變壓器設(shè)計(jì)方法，統(tǒng)一了電流連續(xù)模式和斷續(xù)模式下的設(shè)計(jì)公式，簡化了很多理論推導(dǎo)，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有利于快速設(shè)計(jì)出符合要求的反激式變壓器。