電源高頻變壓器的設計方法簡介

　　設計高頻變壓器是電源設計過程中的難點，下面以反饋式電流不連續電源高頻變壓器為例，向大家介紹一種電源高頻變壓器的設計方法。

　　設計目標：電源輸入交流電壓在180V~260V之間，頻率為50Hz，輸出電壓為直流5V、14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz。

設計步驟：

1、計算高頻變壓器初級峰值電流Ipp

　　由于是電流不連續性電源，當功率管導通時，電流會達到峰值，此值等于功率管的峰值電流。由電感的電流和電壓關系V=L*di/dt可知：

　　輸入電壓：Vin(min)=Lp*Ipp/Tc

取1/Tc=f/Dmax，則上式為：
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax

其中：　　 V in　： 直流輸入電壓，V
　　　
　　　　　 Lp　 ： 高頻變壓器初級電感值，mH
　　　
　　　　　 Ipp　： 變壓器初級峰值電流，A
　　　
　　　　　 Dmax： 最大工作周期系數
　　　
　　　　　 f　　： 電源工作頻率，kHz

　　在電流不連續電源中，輸出功率等于在工作頻率下的每個周期內儲存的能量，其為：

　　　　　　　　　　　　　　　　　 Pout=1/2*Lp*Ipp2*f
將其與電感電壓相除可得：

　　　　　　　 Pout/Vin(min)=Lp*Ipp2*f*Dmax/(2*Lp*Ipp*f)
　　　　　　　　　
由此可得：

　　　　　　　　　　　　 Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)

其中：Vin(min)=1.4*Vacin(min)-20V(直流漣波及二極管壓降)=232V，取最大工作周期系數Dmax=0.45。則：

　　　　　　　　　Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)=2*70/(232*0.45)=1.34A

當功率管導通時，集極要能承受此電流。

2、求最小工作周期系數Dmin

　　在反饋式電流不連續電源中，工作周期系數的大小由輸入電壓決定。

　　　　　　　　　　　　　　Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]

其中：k=Vin(max)/Vin(min)

　　　Vin(max)=260V*1.4-0V(直流漣波)=364V，若允許10%誤差，Vin(max)=400V。

　　　Vin(min)=232V，若允許7%誤差，Vin(min)=216V。

由此可得：

　　　　　　　　　　　　k=Vin(max)/Vin(min)=400/216=1.85

　　　　　　Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]=0.45/[(1-0.45)*1.85+0.45]=0.31

　　因此，當電源的輸入直流電壓在216V~400V之間時，工作周期系數D介于0.31~0.45之間。

3、計算高頻變壓器的初級電感值Lp

　　　　　　　　 Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH

4、計算出繞組面積Aw和鐵心有效面積Ae的乘積Aw*Ae,選擇鐵心尺寸。

　　如果我們只繞初級于線架上，則：

　　　　　　　　　　　　 Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

其中：d為絕緣線的直徑，Bmax選擇為Bsat/2。

　　在反饋式變壓器中，如果初級占30%的繞組面積，則其余的70%為次級和絕緣空間，因此，Aw*Ae須再乘以3倍，為了安全起見，我們將其提高為4倍。因此，

　　　　　　　　　　　　 Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

此式只是估算，最后鐵心和線架的選擇是可以改變的。

　　假設選擇繞組繞線的電流密度為400c.m/A，則400c.m/A*1.34A=536(c.m),我們參考美國線規（AWG），取NO.22AWG導線，其值為0.028IN。我們選擇TDK　H7C1材料的E-E型鐵心，它在100℃時，Bsat=3900G，Bmax=Bsat/2=1950G，可得：

　　　　　　　Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax
　　　　　　　　　 =4*(6.33*2.4*103*1.34*0.0282)*108/1950
　　　　　　　　　 =3.27cm4

　　由TDK目錄中可查得EE42*42*15的鐵心和線架Aw*Ae=1.83cm2*1.83cm2=3.33cm4，因此，我們選用此鐵心。

5、計算空氣間隙長度Lg

　　在反饋式電源變壓器中，磁通只在第一象限中變化，電流磁通量不會出現負值。為防止變壓器飽和，可以采用大體積鐵心或在磁通路徑上使用空氣間隙，為減少電源體積，我們采用間隙法，使磁滯回路變的平坦，在相同的直流偏壓下可降低工作的磁通密度。

　　在磁通路徑上，空氣間隙會產生較大的磁阻，因此，變壓器所存儲的大部分能量是在空氣間隙中，空氣間隙體積為Vg，長度為Lg。由，

　　　　　　　　　　　　 1/2*Lp*Ipp2=1/2*Bmax*H*Vg*108

　　　　　　　　　　　　　　　　　 Vg=Ae*Lg

　　　　　　　　　　　　　　　 u0H=Bmax/(0.4*π)

　　　　　　　　　　　　　　　 u0 ：空氣磁導率=1

可得：

　　 Lg=0.4*π*Lp*Ipp2*108/(Bmax2*Ae)=0.4*π*2.4*10-3*1.342*108/(19502*1.82)=0.078cm

因此，我們在E-E鐵心中心柱分割0.078cm的間隙。

6、計算變壓器初級線圈Np

　　　　　　　Np=Lp*Ipp*108/(Ae*Bmax)=2.4*10-3*1.34*108/(1.82*1950)=90(T)

7、計算變壓器次級線圈Ns

　　在輸入電壓最小、工作周期最大時，計算變壓器次級線圈Ns。

　　　　　　　 Vout+Vd=Vin(min)*Dmax/(1-Dmax)*Ns/Np　　　 （Vd是整流管壓降）

　　　　　　　 Ns=Np*(Vp+Vd)*(1-Dmax)/(Vin(min)*Dmax)
　　　　　　　　 =90*(5+1)*(1-0.45)/(232*0.45)
　　　　　　　　 =2.84(T)

取整數為3圈。

　　電源輸入電流為14A，400c.m/A*14A=5600(c.m)，考慮到集膚效應和生產作業方便，我們采用1400c.m，4條線并聯聯使用，AWG NO：18即可。

　　高頻變壓器的設計方法很多，希望此例對大家有所幫助。

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