高功率因数反激式开关电源变压器的设计

1、基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (60671024 定稿日期 :2009-08-28作者简介 :李振森 (1983- , 男 , 河南项城人 , 硕士研究生 , 研究方向为新型电子器件与应用 、 LED 驱动 。1引 言 由于中小功率开关电源 、 便携式 AC/DC适配 器 、 离线式充电器具有很好的市场前景 , 因此高功率 因数 (PF 反激式拓扑成为目前研究与应用的热点 。 它结构简单 、 PF 高 、 成本低 、 容易得到多路输出 , 是 低成本大功率 LED 驱动电源的较好选择 。 关于两级PFC 反激式电源变压器应用设计的论文较多 , 而关 于高 PF 反激式变压器设计的论文很

2、少 1。 为了设计 出高效率 、 低 EMI 、 低温升的变压器 , 文中给出一种设计方法 , 并根据该方法设计了一种宽电压范围 (AC88264V 、 输出 15V/2A 的变压器 。2高 PF 反激式变压器概述高 PF 反激式变压器是开关电源一个非常重要 的器件 , 它不是真正意义上的变压器 , 而是一个能量 存储装置 。 在变压器的初级绕组导通期间 , 能量存储 在磁芯的气隙中 , 关断期间存储的能量被传送给次 级输出 , 具体过程如图 1所示 。 初 、 次级电流不是同 时流动的 , 因此该变压器更多地被认为是一个带有 次级绕组的电感 , 但与电感的不同之处在于 :电感电 流是平滑波动

3、的 , 可视为直流 。 变压器每个绕组的电 流都是三角波 , 由于工作范围较宽 , 因此变压器要工 作在临界模式 2。 集肤效应会产生很大的交流电阻损 耗 , 通常不会影响铁损 , 但变压器比电感的铜损大 。高 PF 反激式变压器与两级 PFC 的不同之处在于 :单 级结构上为同时实现 PF , 导致初 、 次级电压电流变化 更大 , 如图 2所示 。 高 PF 反激式拓扑对于 70W 内的 电源是实用和经济的 , 但当电源大于 70W 时 , 由于 着重降低电源的电压和电流 , 器件要承受更大的电 压 、 电流应力 , 因此采用其他拓扑会更有效 。3变压器的设计变压器的设计是一个复杂的过程

4、, 若设计合理 ,电源效率会较高 , 且控制环路容易稳定 。 该设计步骤 主要包括 :选择磁芯材料 、 几何形状 ; 确定最大的磁 通密度 ; 确定磁芯型号 ; 确定初 、 次级线圈的匝数比 和铜线的规格 。 要得到理想的电感 , 还需要计算气 隙 ; 最大限度的磁耦合和最小的高频寄生效应 。 另 外 , 还需考虑变压器的装配和安全要求 。提 前 设 定 的 规 格 参 数 :电 源 电 压 范 围 u acmin u acmax ; 市 电 工 频 f l ; 电 源 输 出 电 压 u o ; 最 大 输 出 电 流高功率因数反激式开关电源变压器的设计李振森 , 徐军明 , 丁红斌 , 武

5、利珍(杭州电子科技大学 , 江苏 杭州310037摘要 :变压器的设计是开关电源中关键的步骤 。 对带有高功率因数 (PF 反激式开关电源的变压器原理进行了论述 , 在探讨变压器的设计原理基础上 , 提出一种良好的设计方法 , 并通过实验证明了设计原理 。 所设计的变压器具有效 率高 、 电磁干扰低 、 漏感低 、 温升低的特点 。 关键词 :反激式开关电源 ; 功率因数 ; 变压器设计 中图分类号 :TM402文献标识码 :A文章编号 :1000-100X (2010 02-0083-03Design of High Power Factor Flyback Switching Power

6、Supply TransformerLI Zhen -sen , XU Jun -ming , DING Hong -bin , WU Li -zhen(Hangzhou Dianzi University , Hangzhou 310037, China Abstract :Transformer design of switching power supply is complex and critical.The transformer principles of the flyback switching power supply with high power factor (PF

7、is discussed.Based on this , a new good design method is introduced and the results are proved by experiment.The transformer has high transmission efficiency , low EMI , low leakage , low tempera -ture rise.Keywords :flyback switching power supply ; power factor ; transformer designFoundation Projec

8、t :Supported by National Natural Science Foundation of China (No.60671024第 44卷第 2期 2010年 2月电力电子技术Power ElectronicsVol.44, No.2February , 2010I omax ; 2f l 最大输出纹波 U o 。 预设计参数 :最低工频率 f swmin ; 反射电压 u R ; 漏感过压 u ; 预期效率 。 3.1初步计算的参数最小峰值电压与反射电压的比值为 :K umin =u R =u R(1两个特殊函数为 :F 1(K u =-31+0.815K uF 2(K u

9、 =0.637+4.6×10-3K u u 姨 姨 姨 姨 姨(2初 、 次级电流峰值分别为 :I pkp =U pkmin F 1(K u ,I pks =K u F 1(K u (3初 、 次级匝数比和最大占空比 :n =u R o f , D max =u RR pkmin ds(4初 、 次级电流有效值 :I RMSp =I pkp 1u 姨 , I RMSs =I pks u 2u 姨 (5 3.2参数的确定高 PF 反激式电源变压器最重要的是初级电感的 计算 , 当开关频率 f sw 取最小值时 , 最大初级电感为 :L p =U f swmin I pkp (1+K u

10、min (6 确定磁芯需要的前提条件 : 设定磁芯材料是 典型的功率铁氧体 TDK PC40, 饱和磁通超过 0.35T ; 绕组与窗口的比值为 0.4, 要留足隔离层的空间 , 爬电距离 、 余隙 ; 初级绕组和次级的导线要与流过 的平均有效电流成比例 ; 在无散热器的情况下 , 磁 损和铜损会导致温度上升 30 ; 由于频率是变化 的 , 因此忽略集肤效应和近邻效应 。变压器磁芯的窗口面积与有效磁截面之积 AP 计算公式为 :AP min1=460P inf swmin (1+K u 2(u 姨 姨 1.316(7AP min2=480Pfswmin(1+K u2u姨 姨 1.585

11、83;J H (K u f swmin +J E (K u f 2swmin 姨 姨0.66(8式中 :J H (K u , J E (K u 为与磁滞损耗和涡流损耗相关的函数 3。设计时取较大值 , 一般 AP min1较大 , 所以所选磁 芯的 AP >AP min1。初 、 次级匝数分别为 :N p =U pkmin D max swmin e max,N s =N p(9式中 :A e 为磁芯截面积 ; B max 为最大的磁通密度 。辅助绕组为 :N A =N s (u A +Udf o f(10式中 :U df 为 MOS 管及检测电阻 R s 的压降 ; V f 为 输 出

12、 整 流 管导通压降 。不考虑边沿磁通和磁芯磁阻 , 则变压器的气隙 长度为 :l g =-72L p -A L(11式中 :A L 为无气隙时电感系数 , A L =L p /N p 2。导线流过的电流密度 J 通常 48A/mm2, 按照I RMS =J d 2/4可算出所需导线直径 , 高 PF 反激式电源P in 70W , 电流较小 , 初级采用单股漆包线 , 绕线方便 , 绕组紧凑 。 次级由于电流峰值较大和集肤效应 , 虚采用多股线 。 导线载流能力和集肤深度的具体计 算见参考文献 4, 可以先求得所需的导线的直径 d 1, 确定多股线每股的线径 d 2, 再按照 n 1=d 1

13、2/d 22确定股数 , 依据 n 1选择多股线 。4变压器的制作设计变压器的设计包括绝缘 、 安全 、 低噪声设计 。 变压器采用边沿空隙法使其安全要求 、 漏电和电气强 度满足 UL 认证 。 要求 56mm 的漏电距离 , 因此在 边沿应用中初 、 次级间通常留有 2.53mm 的空间 。磁芯的选择规则是 :可利用的绕组宽度 , 至少是 所需爬电距离的 2倍 , 以维持良好的耦合并使漏感减 到最小 , 初级绕组是变压器绕组结构中第一个绕组 。 这样就可以通过其他绕组使最大电压摆动点得到保 护 , 进而使能耦合到印制板上其他元件的电磁干扰最 小 。 若初级绕组多于一层 , 在两层之间应放置

14、一个基 本的绝缘层 , 可以减少两层之间可能出现的击穿现 象 , 也能减小两层之间电容 。 另一绝缘层放在初级绕 组上面 , 辅助绕组在此绝缘层之上 。 在辅助绕组上放 置 3层聚酯绝缘胶带以满足初 、 次绕组的绝缘要求 。 辅助绕组上放置另一边沿空隙 , 次级绕组在其之间 , 所以在初 、 次绕组间就有 6mm 的有效爬电距离和完 全电压绝缘 。 最后在次级绕组上缠 3层聚酯绝缘胶带 (最高耐压 3kV , 以紧固次级和保证绝缘 。变压器的绕组首尾都有壁厚 0.41mm 的绝缘护 套 ; 还要使用浸漆锁定绕组和磁空间 , 从而防止噪 声 、 湿气 、 盐雾进入变压器 , 有助于提高耐压能力和

15、 热传导性能 , 降低变压器的噪声 ; 采用可以减少绕组间电容的 Z 型绕线方式 。变压器的结构对初级绕组的漏感 有 很 大 的 影 响 。 漏感会导致 MOSFET 关断时产生感应电压 。 变 压器绕组的顶部互相之间应同轴 , 以便使耦合最强 , 减小漏感 。 将初级绕组分开绕制也可减小漏感 , 分开的初级绕组是最里面第一层绕组 , 第二层绕在外边 。5设计实例及结果分析该设计基于 l6561及 lm358设计的高 PF 反激 式 30W 恒流限压 15V/2A LED 驱动电源 , 具体条件 、 参数和设计结果表 1所示 。 该表格根据上述步骤 进行建立 , 可以方便计算并根据实际情况调整

16、改动 , 实际制作的变压器与计算值略有不同 。(上接第57页 用硅钢电感率范围内噪声轻微 , 温升情 况良好 , 传导干扰性能指标满意 , 使用高感值升压电 感有利于温升设计 5。 输入交流电压 220V 、 输入电流 有效值 33.23A 、 电网频率 50Hz 时 u in 与 i in 的波形如 图 4a 所示 ; 输入交流电压 220V 、 输入电流有效值3.345A 、 电网频率 60Hz 时 u in 与 i in 波形如图 4b 所示 。5结 论随着电子 、 电气产品向开关化 、 高频化与集成化 趋势的发展 , 对 PFC 的要求越来越高 , 高性能和低 成本已成为 PFC 的发

17、展方向 。 提出了关于 PFC 的新 型控制技术 , 它无需进行输入电压的检测 , 且具有体 积较小 、 损耗低 、 效率高 、 校正效果良好 、 输出电压纹 波小 、 设计简单 、 便于数字实现 , 同时仍然保持高功率因数及支持大功率输出的性能 , 因此新型 PFC 符 合市场的需要 , 具有较好的应用前景 , 目前已经装配 到 75柜机 、 150柜机等变频空调电控设计中 。参考文献1IEC 61000-3-2:1995, Electromagnetic Compatibility Part3:Limits -set.2:Limits for Harmonic Current Emissi

18、on (Equip -ment Input Current 16A Per Phase S.1995.2IEC 61000-3-12:2005, Electromagnetic Compatibility (EMC Part3-2:Limits -limits for Harmonic Currents produced by E -quipment Connected to Public Low -voltage Systems with In -put Current>16Aand 75A Per Phase.S.2005.3Praveen Jain , Jim Valerio ,

19、Pankaj Jain.A Review of Single Phase Power Factor Correction Circuits for Telecommuni -cation ApplicationsJ.1994:334-338. 4Chongming Qiao , Keyue Ma Smedley.A Topology Survey of Single -stage Power Factor Corrector with a Boost Type In -put -current -shaperJ.IEEETrans. on Power Electronics , 2001, 1

20、6(3:360-368. 5家用和类似用途电动 、 电热器具 、 电动根据 以 及 类 似 电 气无线电干扰特性测量方法和允许值 S.中华人民共和 国国家标准 , GB4343-1995.图 4输入电流有效值和电网频率不同时 u in 和 i in 的波形序号 15161718192021参数 I pks /An u ds /VJ /A/mm20.6753.79序号 891011121314参数 u R /Vu acmax /VK u F 1(K u F 2(K u I pkp /A数值序号 1234567参数 u acmin /Vu acmax /Vf 1/Hzu o /Vi o /A u o /Vf swmin /kHz数值 88264501521251.315115序号 34353637参数 d 2/mmd 1/mmn 1/股 U pkmin /V数值119.2表 1变