开关电源功率变压器的设计秘笈

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1）双极性。电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小相等，方向相反，因此对于变压器磁心里的磁通变化，也是对称的上下移动，B的最大变化范围为△B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。

2）单极性。电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个周期内加上1个单向的方波脉冲电压（单端反激式如此）。变压器磁心单向励磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之间变化，见图7，这时的△B=Bm－Br，若减小Br，增大饱和磁通密度Bs，可以提高△B，降低匝数，减小铜耗。

（2）在高频下具有较低的功率损耗

铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发热，波形畸变等不良后果。

变压器的发热问题，在实际应用中极为普遍，它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的。如果在设计变压器时，Bm选择过低，绕组匝数过多，就会导致绕组发热，并同时向磁心传输热量，使磁心发热。反之，若磁心发热为主体，也会导致绕组发热。

选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。这是因为，假如磁心损耗为发热主体，使变压器温度上升，而温度上升又导致磁心损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点，日本TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求

（3）适中的磁导率

相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。对于高于这一频段的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。

（4）较高的居里温度

居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温度在200℃以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80℃，这是因为在100℃以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70％。因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者，当高于100℃时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。对于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110℃，居里温度高达240℃，满足高温使用要求。

5、开关电源功率变压器的设计方法

5.1、双极性开关电源变压器的计算

设计前应确定下列基本条件：电路形式,开关工作频率,变压器输入电压幅值,开关功率管最大导通时间,变压器输出电压电流,输出侧整流电路形式，对漏感及分布电容的要求，工作环境条件等。

（1）确定磁心尺寸

1）求变压器计算功率Pt

Pt的大小取决于变压器输出功率及输出侧整流电路形式：

全桥电路，桥式整流：Pt=(1＋1/n)Po 　　半桥电路，双半波整流：Pt=(1/n＋)Po 　　推挽电路，双半波整流：Pt=(/n＋)Po式中：Po=UoIo，直流输出功率。Pt可在（2～2.8）Po范围内变化，Po及Pt均以瓦（W）为单位。n=N1/N2,变压匝数比。

2）确定磁通密度Bm

Bm与磁心的材料、结构形式及工作频率等因素有关，又要考虑温升及磁心不饱和等要求。对于铁氧体磁心多采用0.3T（特斯拉）左右。

3）计算磁心面积乘积Sp

Sp等于磁心截面积Sc（cm2）及窗口截面积So（cm2）的乘积，即

Sp=ScSo=[(Pt×104)/4BmfKwKj]1.16(cm4)

式中：Kw——窗口占空系数，与导线粗细、绕制工艺及漏感和分布电容的要求等有关。一般低压电源变压器取Kw=0.2～0.4。

Kj——电流密度系数，与铁心形式、温升要求等有关。对于常用的E型磁心，当温升要求为25℃时，Kj=366；要求50℃时，Kj=534。环型磁心，当温升要求为25℃时，Kj=250;要求50℃时，Kj=365。

由Sp值选择适用于或接近于Sp的磁性材料、结构形式和磁心规格。

（2）计算绕组匝数

1）一次绕组匝数：N1=(Up1ton×10－2)/2BmSc(匝)

式中：Up1——一次绕组输入电压幅值（V）

ton——一次绕组输入电压脉冲宽度（μs）

2）二次绕组匝数：N2=(Up2N1）/Up1（匝）

Ni=(UpiN1）/Up1(匝)

式中：Up2…Upi——二次绕组输出电压幅值（V）

（3）选择绕组导线

导线截面积Smi=Ii/j(mm2)

式中：Ii——各绕组电流有效值（A）

j——电流密度

j=KjSp－0.14×10－2(A/mm2)

（4）损耗计算

1）绕组铜损Pmi=Ii2Rai(W)

式中：Rai——各绕组交流电阻（Ω），

Ra=KrRd，Rd——导线直流电阻，Kr——趋表系数,Kr=(D/2)2/(D－△)?△,D——圆导线直径（mm），△——穿透深度（mm），圆铜导线△=66.1/f0.5（f：电流频率，Hz）变压器为多绕组时，总铜损为Pm=Ii2Rai(W)

2）磁心损耗Pc=PcoGc

式中：Pco——在工作频率及工作磁通密度情况下单位质量的磁心损耗（W

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