反激式高頻變壓器的分析與設計

石油人在北京

反激式高頻變壓器的分析與設計
王牧之，王君艷
(上海交通大學，上海200240)
摘要：隨著反激式高頻鏈逆變器在小功率領域應用的不斷擴大，為了研究出其核心部件：反激式高頻變壓器有效實用
的設計方式。在此結(jié)合了A，法及電流密度經(jīng)驗公式。對于變壓器A。值的確定方法進行了改進，通過設計實例．用詳實、具
體的步驟揭示了高額變壓器設計、制作的復雜程序。最后，為了驗證設計效果。設計實例中的實驗品在250 VA反激式高頻
鏈逆變器中進行了測試使用，測試結(jié)果表明設計的變壓器性能良好，設計方法清晰、明了。
關(guān)鍵詞：高頻鏈；高頻變壓器；反激式；氣隙
中圈分類號：TN919-34；TM402 文獻標識碼：A 文章編號：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)展和應用領域的不斷
擴大．傳統(tǒng)的工頻逆變器因存在變壓器體積過大、輸出
濾波器笨重、容易產(chǎn)生音頻噪聲及系統(tǒng)的動態(tài)響應特性
較差等缺點，已不能適應現(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為擁有高可靠性、高效率、高頻
化、高功率密度、低損耗等特點，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，高頻變壓器同時具
備傳輸能量、電氣隔離、儲能、升降壓等功能。其性能好
壞，將直接決定整個逆變器性能的優(yōu)劣。在各類高頻變
壓器的設計中。以反激變換器拓撲中的變壓器最復雜，
而在小功率范圍內(nèi)。反激式高頻鏈逆變器的拓撲目前是
綜合性能最好的拓撲結(jié)構(gòu)，因此，本文的研究重點將放
在反激式高頻鏈逆變器的高頻變壓器的設計上。
1反激式高頻鏈逆變器簡介
反激式(Flyback)高頻鏈逆變器又稱電流型高頻鏈
收稿日期：2010—12-07
逆變器，它是以反激變換器拓撲為基礎演變而來的，其
電路拓撲如圖1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撲結(jié)構(gòu)簡單、能量雙向流
動、控制易于實現(xiàn)、無電壓過沖問題等優(yōu)點。
圖1 反激式高頻鏈逆變器拓撲結(jié)構(gòu)
針對反激式高頻鏈逆變器的高頻變壓器設計需要
注意以下2點：
(1)反激型電路工作于電流斷續(xù)模式時，變壓器的
磁芯利用率較高，I]。故在設計反激型變壓器時，應根據(jù)
DCM模式下的公式去計算原副邊電壓比；
萬方數(shù)據(jù)
158 現(xiàn)代電子技術(shù)2011年第34卷
(2)在設計反激型電路的變壓器時，必須設計足夠
的磁芯氣隙來防止磁芯飽和狀態(tài)并平衡直流成分。
2變壓器設計分析
2．1磁芯材料
設計高頻變壓器首先從選擇磁芯材料開始，高頻開
關(guān)電源的變壓器磁芯大多是在低磁場下使用的軟磁材
料。具有較高的磁導率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導
率高，在一定線圈匝數(shù)時，通過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
能及價格比較如表1所示【2]。鐵氧體材料是復合氧化
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。本文設計就采用鐵氧體材料。
裹1 各類型磁芯物理性能及價格對照衰
2．2磁芯尺寸
確定變壓器尺寸較為簡潔常用的方法是A。法
(A。一A。A。)，即通過計算磁芯截面積A。和窗口截面
積A，的乘積值來選擇磁芯材料的尺寸型號，變壓器的
A。值可由式(1)確定‘¨。
kf“，df
AP—AeAW 2畝n)
對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)可進一步表示為【3]：
Ap 2瓣rt (2)
式中：／為開關(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℃，導線的電流密度
J(單位：A／m2)可以由經(jīng)驗公式[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�？捎奢敵鲆曉诠β蔖。和效率刁確定。但會隨線
路結(jié)構(gòu)不同而有不同的關(guān)系心]。當原邊與副邊均無中
心抽頭時：
P。=P。(1／呀+1) (5)
當原邊無中心抽頭，副邊有中心抽頭時：
P。=P。(1／,／+摳) (6)
當原邊與副邊均有中心抽頭時：
P。=P。(1／r}4-1)√蠆(7)
對于圖1的拓撲結(jié)構(gòu)，P，的表達式適用于式(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，由于磁通可在正負雙向變化(如圖2(b))，則
AB。。應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，還應適當降低AB。。，以防磁芯在某工
作頻率下?lián)p耗過大導致過熱。
‘!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U麗’OmZax (8)
式中：N。為原邊繞組；U，為原邊直流電壓；t。。為導通時
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)下有不同的表達式，
在反激式電路拓撲結(jié)構(gòu)下，因此電路結(jié)構(gòu)系數(shù)K。可由
式(10)[41表示：
K。=√2(1一D。。)／D。。(10)
2．4原邊繞組與副邊繞組導線尺寸選擇
首先計算原邊電流平均值，。。。。和副邊輸出電流值
J。，并由式(3)確定電流密度J，再由：