基于反激式變壓器拓撲原理，設(shè)計了單端反激式變壓器，用于電纜絕緣電阻測試儀高壓電源的DC-DC逆變升壓模塊。提出單端反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計時一些關(guān)鍵參數(shù)的選擇原則和設(shè)計步驟及驗證方法，總結(jié)了設(shè)計過程中的一些注意事項。使用結(jié)果表明：該設(shè)計方法在簡化和明確變壓器設(shè)計過程的同時，所設(shè)計的變壓器應(yīng)用于絕緣電阻測試儀升壓模塊中約250 V的逆變升壓時表現(xiàn)出穩(wěn)定的升壓性能。

　　變壓器的使用在升壓和降壓電源中很常見，開關(guān)電源根據(jù)不同的輸出要求采用不同的變壓器拓撲電路，同樣的電源也采用不同的變壓器拓撲實現(xiàn)。在所有拓撲中反激式變壓器構(gòu)成的升壓式開關(guān)電源具有電路簡單、元器件最少的優(yōu)點，在小功率開關(guān)電源中經(jīng)常采用。而變壓器的設(shè)計需要技術(shù)人員根據(jù)一些經(jīng)驗參數(shù)來進行變壓器的設(shè)計和繞制。會出現(xiàn)經(jīng)驗設(shè)計多于準確的參數(shù)設(shè)計，而且在高頻條件下變壓器的設(shè)計和制作不同于普通的工頻變壓器，更加需要實際經(jīng)驗和理論設(shè)計兩者相互結(jié)合。本文結(jié)合實際設(shè)計和制作變壓器的經(jīng)驗，提出一種工作于斷續(xù)電流模式(DCM)下的反激式變壓器設(shè)計方案，并給出相關(guān)參數(shù)設(shè)計方法。

　　1 反激式變壓器的基本工作原理

　　圖1(a)為反激式變壓器的工作原理圖，其中，開關(guān)管VT1的導(dǎo)通和截止使得原邊繞組線圈產(chǎn)生交變電流信號。當原邊繞組導(dǎo)通期間，次級繞組輸出電壓為上負下正，整流二極管VD1和VD2截止，輸出電容Co和Cf放電；當原邊繞組截止時次級輸出電壓為上正下負，整流二極管VD1和VD2導(dǎo)通，輸出電容Co和Cf充電，與正激式電路充放電過程相反。可以從輸入輸出電壓、電流波形關(guān)系圖1(b)中得出DCM模式下的工作過程。其中PWM、UDS、IDl，IF1、Io1、Uo2分別為開關(guān)管VT1柵極脈寬調(diào)制信號、漏源極電壓、整流二極管VD1和VD2電流、負載輸出端Co正極性端電壓波形、反饋輸出端Cf正極性端電壓波形。

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　　2 單端反激式變壓器設(shè)計

　　單端反激式變壓器設(shè)計流程如圖2所示，首先根據(jù)逆變升壓模塊前后電路的需要，列出輸入電壓、輸出電壓參數(shù)、開關(guān)頻率、額定輸出功率等整個系統(tǒng)需要變壓器完成的參數(shù)要求，包括Uin(min)、Dmax、F、Po(max)分別為輸入直流電壓最小值10 V、最大占空比、開關(guān)頻率10kH-z、輸出最大功率15W等參數(shù)，然后再按照下面步驟設(shè)計合適的開關(guān)變壓器。

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　　2．1 選定工作點

　　最低的交流輸入電壓，對應(yīng)于最大的輸出功率，由原邊電感電流在開關(guān)管導(dǎo)通和截止期間電流的峰值相等和電磁感應(yīng)定理得到：

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　　式中，Uor為原邊反激電壓，單位為V；L為原邊電感，單位為H。

　　占空比Dmax和反激電壓Uor的關(guān)系：

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　　求出占空比后，在前端脈寬調(diào)制電路中控制前端信號的占空比，使其符合變壓器的設(shè)計要求。此外，反饋調(diào)節(jié)占空比可以穩(wěn)定和達到要求的輸出電壓。

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　　從式(3)可知，反激電壓和占空比的關(guān)系可以在后續(xù)變壓器調(diào)節(jié)中選擇合適的開關(guān)管，占空比越小，反激電壓就越小。

　　2．2 磁芯的選擇

　　高頻變壓器的最大承受功率Po(max)與磁芯截面積Ae和窗口面積的面積積Ap之間存在：

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　　由實際功率可以計算出最大輸出功率，升壓開關(guān)電源的效率一般在80％～90％之間，設(shè)計中η取80％，Po為15w，Ku為窗口利用系數(shù)，取典型值0．29，Bmax取一般值O．25 T，Kj為電流密度，取一般值600 A／cm2。每個磁芯都有固定的面積積，在廠家提供的磁芯參數(shù)表里面查詢大于或等于所求面積積的磁芯，可以獲得符合要求的EE形磁芯，其中磁芯EE-25參數(shù)如圖3(a)所注，其中相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)如下：

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　　由于EE-25的面積積為0．428，大于0．384，因此，選擇EE-25型磁芯。

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　　2．3 原邊繞組電流

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　　2．4 原邊電感量

　　原邊電感量為：

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　　這個匝數(shù)計算出來為原邊最少匝數(shù)，取22匝。其中Bmax為磁芯飽和磁通密度(0．25 T)(選定磁芯后就已經(jīng)確定)。

　　2．6 副邊繞組匝數(shù)

　　副邊繞組匝數(shù)為：

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　　這里取值690匝，UF為輸出整流二極管的導(dǎo)通壓降0．7 V。

　　對于多路輸出變壓器而言，先修改前面的輸出功率為各路輸出功率之和，帶入各路對應(yīng)的UO、UF的值即可計算出各路輸出的匝數(shù)。設(shè)計時，需要在變壓器引入反饋繞組來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定前端脈寬調(diào)制電路的占空比，反饋電壓為10 V，可以求得反饋繞組匝數(shù)為29．1匝，取整30匝。

　　2．7 繞組線徑和繞線方式

　　由電流密度定義可以求出繞線的最小線徑：

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　　采用圓形導(dǎo)線，分別為原邊繞組電流2 A，電流密度500 A／cm2，截面積0．004 cm2，直徑O．07 cm；反饋輸出繞組電流0．5 A。電流密度500 A／cm2，截面積0．001 cm2，直徑0．035 cm；負載輸出繞組電流0．04 A，電流密度500 A／cm2，截面積0．000 08 cm2，直徑0．01 cm。

　　為了減小高頻干擾的影響，在計算繞組線徑時，電流密度K取值比計算面積時稍微小一點，取值500 A／cm2，以使得導(dǎo)線線徑在滿足繞組電流和功率的情況下選用細導(dǎo)線并繞的方式繞制原邊繞組，設(shè)計中采用O．025 cm線徑的導(dǎo)線，并繞線數(shù)，取3線并繞的方式繞制原邊線圈。

　　2．8 引入氣隙

　　單端反激式變壓器的設(shè)計和制作時必須引入氣隙，否則會出現(xiàn)磁芯飽和，本設(shè)計和制作選擇在所選EE系列磁芯兩邊墊磁性材料使磁回路加入適當?shù)臍庀叮鐖D3(b)所示。

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　　式中，lg為氣隙長度(cm)、AL為磁芯無氣隙時的電感因數(shù)(nH／N2)，氣隙的位置安排在EE磁芯中是最好的，其氣隙是在磁組件里面被分開的，這樣可使邊緣磁通噪聲最小，這也是選擇EE磁芯作為開關(guān)變壓器磁芯的一個重要因素。

　　3 驗證設(shè)計

　　3．1 驗證最大磁感應(yīng)強度

　　驗證最大磁感應(yīng)強度是否是超過磁芯的允許值：

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　　小于磁芯磁感應(yīng)強度最大值。當原邊線圈流過峰值電流時，此時磁芯達到最大磁感應(yīng)強度。

　　3． 驗證趨膚效應(yīng)的大小

　　高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導(dǎo)線時總是趨向于從表面流過，這會使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。由趨膚深度定義。其中，ε、F、K分別為趨膚深度、頻率、趨膚系數(shù)，K對于銅導(dǎo)線等于1。利用這個方法可以計算出運行在頻率為10 kHz時的最大導(dǎo)線半徑，可以得出最大導(dǎo)線直徑DAWG為1．3 mm；所有線徑都小于這個線徑。

　　由EE-25窗口尺寸和線徑尺寸計算可得表1如下。

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　　導(dǎo)線采用漆包線，在計算每層匝數(shù)時在窗口高度兩側(cè)各預(yù)留0．15 cm的空間，且忽略包漆厚度，因為實際繞制時總比每層計算出來的可以繞制匝數(shù)要多一些。

　　繞組方式如圖4所示，其中絕緣層為0．015 cm，骨架厚度為0．1 cm，總厚度為O．1+O．025+O．Ol×7+O．035+0．015×10=0．38 cm，考慮到3個繞組之間的絕緣層厚度可適當加厚，窗口寬度0．645 cm能夠繞下。

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　　4 變壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

　　將原邊繞組同名端串聯(lián)分壓電阻后接12 V直流電壓，并在同名端和開關(guān)管漏極之間加入RCD開關(guān)管保護電路，開關(guān)管柵極接PWM脈寬調(diào)制電路。脈寬調(diào)制電路是由變壓器輔助繞組的輸出整流電容Cf的正極性端引入的反饋電壓控制和調(diào)節(jié)的TL494基本電路組成。調(diào)節(jié)PWM輸出脈寬占空比為0．445，頻率為10 kHz的脈寬信號。變壓器次級繞組的輸出整流電容Co的正極性端，經(jīng)二次整流電路后輸出作為接近250 V高壓輸出端，作為絕緣電阻測試儀高壓電源。

　　5 結(jié)束語

　　設(shè)計開關(guān)變壓器，對于變壓器生產(chǎn)制作技術(shù)人員而言必須知道以下參數(shù)：磁芯型號、同名端、輸出功率、原邊繞組電感、工作頻率、原邊繞組匝數(shù)、輔助線圈匝數(shù)、原邊繞組線徑、反饋線圈線徑、輸出繞組線徑以及繞線方式和注意細節(jié)，但是詳細的參數(shù)列表可以方便變壓器制作完成后調(diào)試和修改。此外，變壓器的設(shè)計沒有固定的步驟可循，特別是磁芯的選擇，需要和磁芯技術(shù)人員進行溝通，單純的依靠公式選擇出來的磁芯的參數(shù)和實際的磁芯參數(shù)有較大的誤差，只有獲得了正確、準確的磁芯參數(shù)，帶入這些參數(shù)設(shè)計出來的變壓器才會和實際性能接近。

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