高频变压器--设计与制作

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

高频变压器的设计与制作脉冲变压器也可称作开关变压器，或简单地称作高频变压器。在传统的高频变压器设计中，由于磁芯材 料的限制，其工作频率较低，一般在 20kHz 左右。随着电源技术的不断发展，电源系统的小型化、高频化 和大功率化已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系 统体积、提高电源输出功率比的关键因素。 随着应用技术领域的不断扩展，开关电源的应用愈来愈广泛，但制作开关电源的主要技术和耗费主要 精力就是制作开关变压器的部件。 开关变压器与普通变压器的区别大致有以下几点： (1)电源电压不是正弦波，而是交流方波，初级绕组中电流都是非正弦波。 (2)变压器的工作频率比较高，通常都在几十赫兹，甚至高达几十万赫兹。在确定铁芯材料及损耗时必 须考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的影响。 (3)绕组线路比较复杂，多半都有中心抽头。这不仅增大了初级绕组的尺寸，增大了变压器的体积和重 量，而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化。

图1

开关电源原理图

本文介绍了一款如图 1 所示的 DC—DC 变换器，输入电压为直流 24V,输出电压分别为 5V 及 12V 的多 路直流输出。要求各路输出电流都在 lA 以上，核心器件是美国 Unitrode 公司生产的一种高性能单端输出 式电流控制型脉宽调制器芯片 UC3842,最高工作频率可达 200kHz。根据锌锰铁氧体合金的优异电磁性能， 通过具体示例介绍工作频率为 100kHz 的高频开关电源变压器的设计及注意事项。

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

2变压器磁芯的选择与工作点的确定 2．1 磁芯材料的选择

从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢已很难满足变压器在频率、使用环境方面的设计要求。磁芯的材料只有从坡莫合金、铁氧体材料、钴基非晶态合金和超微晶合金几种材料中来考虑。坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为铁氧体材料的数倍，而饱和磁感应强度Bs也不是很高，且加工工艺复杂。考虑到我们所要求的电源输出功率并不高，大约为30W，因此，综合几种材料的性能比较，我们还是选择了饱和磁感应强度Bs较高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的性价比较低的锌锰铁氧体材料，并选以此材料作为框架的EI28来绕制本例中的脉冲变压器。 2．2工作点的确定

根据相关资料，EC35输出功率为50W，饱和磁感应强度大约在2000Gs左右。买来的磁芯，由于厂家提供的磁感应强度月，值并不准确，可用图2所提供的方式粗略测试一下。将调压器接至原线圈，用示波器观察副线圈输出电压波形。将原线圈的输入电压由小到大慢慢升高，直到示波器显示的波形发生奇变。此时，磁芯已饱和，根据公式：

U＝4．44fN1Φ m可推知在工频时的Φ m值。要求不高时，可根据测算出的Φ m，粗略估算出原线圈的

匝数，

。

图2 工作点测试示意图

3 变压器主要参数的计算

本例中的变换器采用单端反激式工作方式，单端反激变换器在小功率开关电源设计中应用非常广泛，且多路输出较方便。单端反激电源的工作模式有两种：电流连续模式和电流断续模式。前者适用于较小功率，副边二极管存在没有反向恢复的问题，但MOS管的峰值电流相对较大；后者MOS管的峰值电流相对较

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

小，但存在副边二极管的反向恢复问题，需要给二极管加吸收电路。这两种工作模式可根据实际需求来选择，本文采用了后者。

设计变压器时大多需要考虑下面问题：变换器频率f(H2)；初级电压U1(V)，次级电压U2(V)；次级电流i2(A)；绕组线路参数n1、，n2；温升τ(℃)；绕组相对电压降u；环境温度τ

z

HJ

(℃)；绝缘材料密度γ

(g／cm3)

1)根据变压器的输出功率选取铁芯，所选取的铁芯的户，值应等于或大于给定值。 2)绕组每伏匝数

(1)

ST是铁芯的截面积；kT是窗口的填充系数；

3)初级绕组电势

E1＝U1(1－) (2)4)初级绕组匝数

W1＝W0El

5)次级绕组电势

E2i＝U2i (1+) (4)6)次级绕组匝数

W2i＝W0E2i (5)7)初级绕组电流

(3)

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

8)次级绕组电流

(6)

(7)

其中，n1、n2：分别是初级绕组和次级绕组的每层匝数。 9)初级绕组线径

(8) 10)次级绕组线径

(9) 其中，j是电流密度。

详细的变压器设计方法与计算相当复杂，本文参照经验公式，依据下面的步骤设计了本例转换器中的高频变压器。 3．1 确定变压器的变比

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

根据输出电压 U0 的关系式

(10) 得变比为

(11) 式中 UD 为整流器输出的直流电压。 本例中 UD=24V,f 为 100kHz,tON 取 0.5;n=2。 3.2 计算初级线圈中的电流

已知输出直流电压 U0=±12V、5V,负载电流均为 I0=lA,则输出功率 P0=P1+P2+P3=29W 开关电源的效率 η 一般在 60~90%之间，本例取 η =0.65,则输入功率为

初级的平均电流为

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

假定初级线圈的初始电流为零，那么，在开关管的导通期tON里，初级线圈中的电流心便从零开始线性增长到峰值I1P

3．3 计算初级绕组圈数N1 初级绕组的最小电感L1为

根据输出功率P的大小，选用适当的磁芯，其形状用环形、EI形或罐形均可，本例采用EI28，该类型的铁芯在f＝50kHz时，功率可达到60W，在f＝100kHz时，输出功率可达到90W。

式中Ilp—初级线圈峰值电流，A；

L1—初级电感，H；

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

S—磁芯截面积，mm2； Bm—磁芯最大磁通密度，T。

3．4 计算次级绕组圈数N2

即±12V分别绕5匝，5V绕3匝。 3．5 反馈绕组N3的估算

反馈绕组匝数的确定，要求既能保证开关元件的饱和导通又不至于造成过大损耗。根据UC3842的要求，反馈绕组的输出电压应在13V左右。因此，

3．6 导线线径的选取

根据输入输出的估算，初线线圈的平均电流值应该允许达到2A。 1)初级绕组

初级绕组的线径可选d＝0．80mm，其截面积为0．5027mm2的圆铜线。 2)次级绕组

次级绕组的线径可根据各组输出电流的大小，利用原级相同线径采用多股并绕的办法解决。为了方便线圈绕制，也可选用线径较粗的导线。由于工作频率较高，应考虑集肤效应的影响。 3．7 线圈绕制与绝缘

绕制开关变压器最重要的问题是想办法使初、次级线圈紧密地耦合在一起，这样可以减小变压器漏感，因为漏感过大，将会造成较大的尖峰脉冲，从而击穿开关管。因此，在绕制高频变压器线圈时，应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。

高频变压器--脉冲变压器--开关变压器

具体可采用以下方法： (1)双线并绕法

将初、次级线圈的漆包线合起来并绕，即所谓双线并绕。这样初、次级线间距离最小，可使漏感减小到最小值。但这种绕法不好绕制，同时两线间的耐压值较低。 (2)逐层间绕法

为克服并绕法耐压低、绕制困难的缺点，用初 …… 此处隐藏：9114字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……