半橋逆變電路中的脈衝變壓器設計

半橋逆變電路中的脈衝變壓器設計

隨著能源的日益緊張，節能高效的電子產品得到廣泛的應用，在日常照明中，電感式鎮流器因為效率低，體積大而逐漸被淘汰，而高頻電子鎮流器越來越得到推廣。圖 1 為電子鎮流器的基本電路，其工作原理如下：半橋逆變電路電子鎮流器電路由整流濾波電路、觸發電路、高頻振蕩電路和 LC 串聯輸出電路組成。在電路中，由整流橋VD1-V D4 和濾波電容器 C1 組成整流濾波電路；由電阻器 R6、電容器 C3 和雙向二極體 V3 組成觸發電路；由電晶體 V1、V2、二極體 V D5-VD7、電阻器 R1-R5、電容器 C2 和脈衝變壓器 T(W1-W3) 組成高頻振蕩電路；由限流電感器 L，電容器 C4，C5 和螢光燈管 EL 組成 LC 串聯輸出電路。在接通電源後，交流 220V 電壓經 VD1-V D4 整流及 C1 濾波後，為高頻振蕩電路提供 300V 左右的直流電壓。該直流電壓還經 R6 對 C3 充電，當 C3 兩端電壓充至 V3 的轉折電壓時，V3 迅速導通，C3 上所充電荷經 V3 對 T 的 W3 繞組放電，在T的耦合作用下，V1 和 V2 交替導通與截止，高頻振蕩器振蕩工作。高頻振蕩器振蕩後，在 C2 兩端之間產生一個近似正弦波的交變高頻電壓，此電壓經 C4、L1 加在 EL 的燈絲電壓，當 C5 兩端電壓達到 EL 的放電電壓時，燈管啟輝點亮。
在電路中，W1-W3 是由繞制在同一個磁心上的變壓器 T 組成的脈衝變壓器。半橋逆變電路的電子鎮流器中，脈衝變壓器一般均採用環形磁心製作的變壓器，為能產生良好的振蕩波形，就需要選取磁滯曲線更接近矩形的材質，從而使變壓器在工作時可以在很快的進入與退出飽和狀態。
2 變壓器參數設計
因為磁心的 B-H 決定了磁環進入與退出飽和狀態的時間，所以，脈衝變壓器磁心與初級繞組的圈數及初級繞組的電壓對半橋逆變電路的工作頻率有著決定性的影響。
在理論上根據法拉地定律所產生的振蕩頻率為[1]:
(1)
其中：
fc 為產生的振蕩頻率，單位為 Hz；
VP 為脈衝變壓器初級的電壓，單位為 V；
kf 為波形係數，方波取 4.0 正弦波取 4.44，這裡按實際工作波形取 4.0；
Bs 為磁心的飽和磁通密度，單位為 T；
Ae 為磁心的有效截面積，單位為 cm2;
電源在工作過程中，因為開關電晶體在開關過程中也需要一定的集電極存儲時間 Ts，所以設半橋逆變器的實際開關頻率為 fc，開關管的實際導通時間為 Ton 則應存在以下關係[2]：
(2)
其中：Ton ，Ts 單位為秒，因為在實際工作中開關電晶體在振蕩過程中循環導通，所以實際的導通時間為磁心振蕩頻率的 1/2 ；
為了便於計算磁心工作在飽和磁場強度時所需要的圈數，我們需要引用磁場強度的方程式進行計算，具體如下：
(3)
其中：
Hs 為磁場強度，單位為：Oe；
N 為變壓器初級銅線的圈數；
Ip 為變壓器初級的電流，一般取燈管峰值的 0.5 倍，電流的單位為 A；
le 為磁心的有效磁路長度，單位為 cm；
Hs 為飽和磁場強度，單位 A/cm
設半橋逆變電路的交流電壓 uin 為 220V 輸入，經過橋式整流及電容濾波後直流總線電壓為 Uin=300V，設計的振蕩頻率為 f=35kHz，燈管功率為 WL=55W，觸發電壓為 Upeak=800V，正常工作後電壓為 UL=100V，電晶體選用MOTOROLA BUL45。
則可以計算出燈管正常工作後的電流 I1 可計算得出： ，此電流可近似看為正弦波，其峰值電流為：ILP=IL×=0.55A×≈0.78A
變壓器的初級電流 IP=0.5×ILP=0.39A
根據（式3）可看出脈衝變壓器的匝數需要根據所選用的磁心來確定，下面以東磁高導磁心為例說明。
在使用高導磁環製作電子鎮流器脈衝變壓器，從 B-H 曲線及初始磁導率，居裡溫度等綜合考量，一般選取R5K或 R7K 的磁心來製作，其中又以 R5K（即 μi=5000）為主，東磁提供的磁環性能參數如下：
編號AB
型號 H6.3×3.8×2.5P
H10×6×5

ΦA(mm)
6.3±0.15
10.0±0.3

ΦB(mm)
3.8±0.15
6.0±0.3

C(mm)
2.5±0.15
5.0±0.3

le(mm)
15.2
24.1

Ae(mm2)
3.06
9.3

Hs(A/cm)
0.40
0.40

Bs(T)
0.51
0.51

AL (R5K)
12602550