高頻開關變換器中的磁性元件設計

2020-11-25 電子產品世界

摘要：鑑於常規的磁性元件設計方法存在局限性，不能全面反映其實際工作情況。本文針對600W雙管正激變換器中的高頻變壓器採用「Magnetics Designer」軟體進行自行設計，給出了具體的設計方法和設計過程，並通過Pspice仿真驗證其設計效果。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/176306.htm

敘詞：磁性元件 雙管正激 變換器 Pspice 電源

Abstract：The design method and procedure of high frequency transformer in 600W double-transistor forword converter with Magnetics Designer software are introduced in this paper.And design results are also simulated in Pspice.

Keyword：magnetic element double-transistor forward converter Pspice

1、 引言

在高頻開關變換器中磁性元件的應用非常廣泛，主要有變壓器和電感器兩大類：當變壓器用時，可起電氣隔離、升降壓及磁耦合傳遞能量等作用;當電感器用時，起到儲存能量、平波與濾波等功能。並且其性能的好壞對變換器的性能產生重要影響，特別對整個裝置的效率、體積及重量起舉足輕重的作用。因此，磁性元件的設計是高頻開關變換器設計中的重要環節。

高頻開關變換器中的磁性元件設計，通常是根據鐵芯的工作狀態，合理選用鐵芯材料，正確設計計算磁性元件的鐵芯及繞組參數。但由於磁性元件所涉及的參數太多，其工作狀態不易透徹掌握，因此常規的設計方法不能全面反映其實際工作情況和考慮其它因素的影響，也就很難達到所需的性能指標和滿足設計要求。

針對高頻開關變換器中的磁性元件設計的重要性、必要性及其複雜性，筆者採用Intusoft公司的「Magnetics Designer」軟體根據磁性元件的實際工作情況進行計算設計，獲得較理想的效果。本文首先介紹了磁性元件設計中應考慮、注意的一些問題，並針對600W雙管正激變換器中的高頻變壓器給出了具體的設計方法和設計過程，最後通過仿真加以驗證。

2、 磁性元件設計中應考慮的一些問題

2.1 鐵芯瞬態飽和

在高頻開關變換器啟動瞬間，由於雙倍磁通效應，其磁性元件的鐵芯可能瞬態達到飽和，從而產生很大的浪湧電流，導致與磁性元件相連的開關器件損壞。因此，為防止鐵芯瞬態飽和，可採用的方法：一是把工作磁感應強度值減小，但這樣會降低鐵芯的利用率;二是增加軟啟動環節，啟動時減小功率管的導通脈衝寬度，然後逐漸增大磁感應強度到穩態值。

2.2 繞組的漏感

繞組的漏感對高頻開關變換器產生很大的負面效應，影響其正常運行。例如當功率開關關斷時，繞組的漏感儲能釋放，在主開關上產生電壓尖峰，使功率器件電壓應力增大;另外，一臺開關變換器中有多個磁性元件，因而有多個寄生電感，造成嚴重的電磁幹擾(EMI)。為減少繞組的漏感，可採取的措施有：一是選擇合適的鐵芯結構和形狀;二是繞組設計成瘦高型，增加繞組高度，減小繞組厚度;三是繞組採用絞合銅線或寬薄銅箔，使銅佔因子升高;四是採用分層交叉繞制方法，使繞組耦合緊密。

2.3 集膚效應

磁性元件在高頻工作時，導線中通過交變電流會產生集膚效應，即導線橫截面上的電流分布不均勻，內部電流密度小，邊緣部分電流密度大，使導線有效橫截面積減小，電阻增大。為使集膚效應的影響減小，導線直徑應不大於兩倍滲透深度。

3、 雙管正激變換器中的高頻變壓器設計

圖1為組合雙管正激變換器的電路原理圖，M1，M2，D1，D2與副邊拓撲構成1#雙管正激變換器，M3，M4，D3，D4與副邊拓撲構成2#雙管正激變換器。工作時，2#變換器的控制脈衝相對於1#變換器移相了1800，雙路變換器交替工作，向副邊傳輸能量，通過二極體D1，D2或D3，D4向原邊輸入電源回饋能量，實現鐵芯磁復位。

圖1 組合雙管正激變換器的電路原理圖

下面針對圖1中的高頻變壓器進行具體的分析與設計，電路的參數如下：輸入電壓Vcc = 12v，輸出電壓Vo = 120v，輸出電流Io = 5A，開關頻率f = 100K，工作佔空比D = 0.45，濾波電感Lf = 50 uH。

3.1 高頻變壓器的磁分析

由於加在變壓器原邊的激磁電壓為單向脈衝，鐵芯的磁狀態工作於局部磁滯回線上，如圖2所示。當功率管導通時，t∈[0，DT]，變壓器原邊正脈衝電壓序列激磁，鐵芯內磁感應強度B沿局部磁滯回線從Br磁化到Bm;關斷時，t∈[DT，T]，變壓器原邊電壓為零，鐵芯通過二極體實現磁復位，磁感應強度B沿局部磁滯回線從Bm去磁至Br。

圖2 變壓器鐵芯的局部磁滯回線

通過圖2可知，由於鐵芯磁狀態只在B-H平面第一象限內變化，故鐵芯不能充分利用，利用率較低，並且工作於局部磁滯回線，磁導率也較低。因此，對於雙管正激變換器中的高頻變壓器，應選擇高Bs、高磁導率、低Br及低損耗的磁性材料。

3.2 高頻變壓器的參數分析計算

單路變壓器的工作頻率f = 100k ，因此，對於濾波電感其工作頻率為2f = 200k，分析計算可得：

峰峰值電感電流：

其中， VD：續流二極體壓降，取為0.5v。

電感的平均電流：

電感的最大電流：

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