100W 三绕组复位正激变换器设计要点

前言电力电子技术中，高频开关电源的设计主要分为两部分，一是电路部分的设计，二是磁路部分的设计。相对电路部分的设计而言，磁路部分的设计要复杂得多。磁路部分的设计，不但要求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰富的实践经验。在磁路部分设计完毕后，还必须放到实际电路中验证其性能。由此可见，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部分的设计。高频开关电源的磁性元件主要包括变压器、电感器。为此，本文将对高频开关电源变压器的设计，特别是正激变换器中变压器的设计，给出详细的分析，并设计出一个用于输入48V（36〜75Vdc），输出10Vdc/10A的正激变换器的高频开关电源变压器。一、设计目的通过本项目分析设计，加深学生对单管直流/直流变换电路的理解，掌握一般小功率DC/DC变换器主电路工作原理及相应控制方法，熟悉正激变换器中变压器复位的基本原理及相应的复位方式，熟悉开关电源中的磁性元件的设计方法；输入：36〜75Vdc,输出：10Vdc/10A二、设计任务1、 分析基本三绕组复位正激电路工作原理，深入分析功率电路中各点的电压波形和各支路的电流波形；2、 根据输入输出的参数指标，计算功率电路的关键器件电压电流等级，并选取实际功率器件，设计正激变换器中脉冲变压器，包括原副边绕组匝数计算，导线选取，磁芯选择等；3、 应protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。三、总体设计开关电源的发展开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源分为DC/DC和AC/DC两大类。前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。按转换电能的种类，可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；逆变器，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；整流器是将交流电转换成直流电的电能变换器和交交变频器四种。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。3.2DC/DC变换器的基本拓扑概述直流变换器按输出与输入间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离的称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。3.2.2电路拓扑变换器的电路拓扑多达上百种，包括降压式(Buck)变换器、升压式变换器、升降压式变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器、正激变换器、反激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥变换器等。在进行变换器的设计工作之前，首先要选择电路拓扑。这是一件非常重要的工作，其他所有的设计选择、元器件选择、磁芯元件设计、环路补偿等等都取决于它。如果电路拓扑发生改变，这些也必须随着改变。本课题要求研究降压式正激变换器，正激变换器具有电路结构简单、输入输出电压隔离、可以多路输出等优点，广泛应用在中小功率变换场合。降压式(Buck)变换器降压式变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。具有电路简单，调整方便，可靠性高；对功率晶体管及续流二极管耐压的要求低；电源带负载能力强，电压调整率好等优点。但在这种电路中，功率晶体管和负载直接与整流电源串联，故万一晶体管被击穿时，负载两端的电压便升高到整流电源电压，负载会因承受过电压而损坏。正激变换器正激式变换器实际上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧间的电气隔离，也使该变换器的输出电压可以高于或低于电源电压，还可实现多输出。而Q的占空比可在比较合理的范围内变化，通常选择在0.45上下变化，这时在同样输出功率下，Q的计算功率较小。这种变换器的优点是：可方便地实现交流电网和直流输出端机架之间的隔离；能方便的实现多路输出。在占空比的变化范围不能改变的情况下，可方便地通过改变高频变压器的匝比，使之满足交流电网电压在一定范围内变化时能稳压的要求。4.1正激变换器中变压器的设计方法正激变换器是最简单的隔离降压式DC/DC变换器，其输出端的LC滤波器非常适合输出大电流，可以有效抑制输出电压纹波。所以，在所有的隔离DC/DC变换器中，正激变换器成为低电压、大电流功率变换器的首选拓扑结构。但是，正激变换器必须进行磁复位，以确保励磁磁通在每一个开关周期开始时处于初始值。正激变换器的复位方式很多，包括第三绕组复位、RCD复位［1,2〕、有源箝位复位［3〕、LCD无损复位［4,5］以及谐振复位⑹等，其中最常见的磁复位方式是第三绕组复位。本文设计的高频开关电源变压器采用第三绕组复位，拓扑结构如图1所示。开关电源变压器是高频开关电源的核心元件，其作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。在开关管的作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电磁转换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负载。开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率，而且还会影响到高频开关电源的技术性能和可靠性。所以在设计和制作时，对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密考虑。开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的影响不能忽略，这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中流动的趋肤效应。一般根据高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应影响则作为选择导线规格的条件之一。4.2主电路拓扑和控制方式正激变换器实际上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，图2、图3给出了正激变换器的主电路及其主要波形。开关管Q按PWM方式工作，D是输出整1流二极管，D是续流二极管，L是输出滤波电感，C是输出滤波电容。变压器有2三个绕组，原边绕组W，副边绕组W，复位绕组W，图中绕组符号“•”号的一123端，表示是该绕组的始端。D是复位绕组W的串联二极管。33

ttttttt图ttttttt图34.3正激变换器的原理为了分析其工作原理，作如下假设：（1） 、变换器已经到稳态；（2） 、所有开关器件均为理想器件；（3） 、在换流过程中电感电流没有变化，相当于一个恒流源。设计原理1、磁复位技术使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电压很高，导致开关器件的损坏。剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以分成两种：一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电子元件上消耗掉或者把残存能量反馈到输入端或输出端；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体使用那种方法可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特性而定。本课题采用第一种磁复位方法。图4典型的两种磁芯磁滞特性曲线如图4所示，在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位法线路较为复杂。简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。这种电路只适用于小功率变换器中。2、磁复位的方式分为：第三线圈复位法、RCD复位、有源钳位、双管正激本次课题采用第三绕组复位法。第三绕组复位法的优点：技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。缺点：附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化；开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，尤其是变压器满载时；开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大；Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。4.4、原理说明正激变换器如图2所示，开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管,D2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器有三个绕组,W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。电路的工作过程为：如图5(a)所示，开关管Q1导通，电源电压Ui加在原边绕组上，变压器绕组N1两端的电压上正下负，与其耦合的绕组N2两端的电压也是上正下负。因此，整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过滤波电感L的电流增加。(a)Q1导通如图5(b)所示，S关断后，电感L通过D2续流，D1关断，L的电流逐渐下降，直到减小为电流最小值。此时，变压器的励磁电流经过绕组N3和D3流回电源，励磁电流逐渐减小，直到减为零。变压器磁复位完成后，电流通路即为如图5(c)所示。此外，为了保证下一次开通时励磁电流降为零，需使断态的时间大于开通的时间。

图5(b)Q1关断、变压器磁复位图5(c)Q1关断五、器件选择变压器在开关电源中的变压器其主要的目的是传输功率，将一个将电源的能量瞬时地传输到负载。此外，变压器还提供其他重要的功能：通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压；增加多个不同的匝数次级，获得不同的多路输出电压；为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便地提供安全隔离。在正激变换器中，变压器的主要作用不是储存能量而是纯粹的变压功能(即对输入电压进行升压或降压)。需要综合考虑占空比和匝比来进行设计。虽然储能能力常常是选择电感器的主要依据，但变压器储能仅是单纯的励磁能量，与负

载电流无关，只随输入电压的变化而变化。确保变压器复位也是一个问题，它限制了变压器的占空比要保持低于0.45。本设计要求输入电压为直流48V,波动值为36V-75V,输出电压为10V,输出电流为10A,功率要求为100W。N2变压器输入输出电压关系式为：U二DUx一0iN1N2一般选择占空比D为0.45，因此有10V二0.45x48——，则N2/N1=25:54.所N1以为了使变压器在输入电压波动范围内都保持工作,因此变压器的匝比希望选择25:54。下面计算变压器的参数：(1)确定最大磁感应强度考虑高温时饱和磁感应强度B会下降，同时为降低高频工作时磁芯损耗，工S作最大磁感应一般为2000-2500G。S(2)根据输出功率选择磁芯面积乘积的粗略预算公式：AP=AeAwAP=AeAw=PoKxABx4)3cm4注：Ae 磁芯有效截面积；Aw 线圈窗口面积；Po——输出功率(w)；AB——磁通密度变化量(T)；f——变压器工作频率(HZ)；k 正激变化器中值为0.014代入公式得：100AP~代入公式得：100AP~(0.014x0.15x100x1034)3=0・3718cm4查附表1选择P型2616的磁芯，A=0.948mm2,A=0.407mm,ewV=3.53cm3，,P=123.5W,f=200KHZ。e查附表2得到磁芯尺寸(mm)：d1=25.5,d2=21.2,d3=11.5，d4=5.4，h1=16.0,h2=11.0,a=18.0,b=3.8,Ie=37.6mm,I/A=0.4mm-1。计算副边匝数

周期T=-=10-5S,最大占空比为0.45,t=4.5X10-6Son计算输出电压加上满载时二极管和次级IR压降:U'=10+0.4=10.4V0由电磁感应定律可得：UT=NA①02U'T10.4x10-6 10.4x4.5x10-6N=—0 = = =3.32〜32 A① ABxA 0.15x0.948x10-4e计算原边匝数变压器输入输出电压关系式为：U=DUxN2所以N2所以N2三N1U'0 DmaxUimin=10.4 =520.45x36 81心0.64由变压器的性质得：Nn=—1N281N=nxN=x3.32=5.17沁51 2 52如果取5匝，将大大增加了伏/匝、磁感应变化量和磁芯损耗。如果取6匝，减少了磁芯损耗，但是增加了线圈损耗。因为以上结果接近5匝，选取5匝。此时由U=Ux—,d'=0.32。0INN(5)副边电流有效值为：I=IxJD'=10X-/032=5.66A20(6)原边电流有效值为：I(6)原边电流有效值为：I=1仃xN)2 2〔N1丿X(1+0.05)=3.57A(7)选择线径：根据导线的电流密度J=4A/mm2所以原边绕组所选截面积为：—=3.57/4=0.8925mm2JI副边绕组所选截面积约为：一=5.66/4=1.415mm2J电感电感常为储能元件，其特点是流过其上的电流有很大的惯性，换句话说，由于磁通连续性，电感上的电流必须是连续的，否则将产生很大的电压尖峰波。它是磁性元件，存在磁饱和的问题。在开关电源中有一个不可忽视的问题，电感的绕线所引起两个分布参数的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的，其二是分布式杂散电容，随绕制工艺、材料而定。由于是直流电感，MPP（钼坡莫合金磁粉芯）或者铁粉芯是比较适合的。为了做到小体积，选择MPP，Vx了做到小体积，选择MPP，L— onfxIxrc其中V—V-Voninr0VID—产,inrI= 0C1-D因此L二10x0.32—5.44pH105x14.71x0.4电感值为5.44pH，直流电流为10A，储能为102x0.00544—0.544mJ。根据电流有效值选择导线的线径，因为I—ID—1Oxp032—5.66A，所以选择导线的截面积约为1.415mm2,电流较大时，仍需采用多股并绕，但由于电感中的交流成分较小，必要时可选用较粗的导线绕制。电容由经验公式得:1%U0=△I1WC1%U0=1%U0=△I1WC1%U0=△I12f所以AI2兀fx所以AI2兀fx1%U0.3I2吋X001U二2x3.14x50x0.01x10000.3x10=0.0956F5.4电阻R=V二10二10I105.5二极管D1为整流二极管、D2为续流二极管。其所承受的电压为相等，为:V二VinN2二28.8VN1电流分别为：I=IJD=10x<0迈=5.66ATOC\o"1-5"\h\zD1 0I=Ix1-D=10x =8.25A\o"CurrentDocument"D2 0D3为复位二极管。其电流、电压如下V =48VD3I=I=3.57AD3 1D1选用5EQ100类型的二极管，D2、D3选用10YQ045类型的二极管。5.6开关管开关电源中所出现的故障中约百分之六十是功率开关管损坏引起的。开关电源中采用的开关管是MOSFET管，有些还采用IGBT管以及GT0管。IGBT主要用在高功率大输出的场合，GTO主要用于中功率较小输出的场合，而MOSFET主要用于小功率小输出的场合，该设计是100W双管正激变换器的设计，输出功率只有100W，输入电压为48伏，输出电压为10伏，为小功率小输入小输出，因此在此处采用MOSFET管已经足够。MOSFET是一种电压控制的单极型器件。具有驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高等优点，广泛应用于开关电源中。分为P型、N型，在此处采用N型MOSFET管。设频率为100KHZ,占空比为0.45,开关管Q1的开通和关断时间为t=0.45T=4.5卩sont二0.65T二6.5卩off开关管关断时所承受的电压保持在输入电压的两倍，为96V。即 V二2V二2X48V二96Vq1 in线圈电流即为变压器原边的电流，因此，I=I=5.66AQ1 2查阅资料可知开关管型号为IRF3710ZL。六、心得体会通过本次设计，我对本专业的认识更加深刻了，同时加强了对专业知识的掌握，提高了运用能力，积累了一些相关的设计经验。本文详细阐述了正激变换器中变压器的设计方法，并结合具体设计任务，设计出一个用于48V（36〜75V）输入，10V/10A输出的高频开关电源变压器。设计出的变压器在实际电路中表现出良好的电气特性。但由于自己的能力水平有限，设计中仍有不少错误的地方或有更优化的方案。本文对100W第三绕组复位正激变换器的设计给出方案，在正激变换器的基础上分析了第三绕组复位正激变换器的基本拓扑和工作原理，分析了第三绕组复位正激变换器的几种工作模态。通过查阅资料和文献，确定了各元器件的参数，选出了合适的原件，最终得出了100W双管正激变换器的设计思路。在电路图的设计过程中，利用PROTEL软件画出了原理图，并进一步加深了对PR0TEL软件的了解和认识。本次设计锻炼了我的动手能力，树立了理论联系实际的理念，并且使自己进一步熟练了对Microsoftoffice和protel以及各种辅助应用软件的使用，对我有大有裨益。在课程设计的过程中，我遇到过各种各样的问题，培养了我综合运用所学知识解决实际技术问题的能力；掌握了资料查询的基本方法，培养自己学习及独立思考解决问题的的能力，并融会贯通知识体系，但对设计过程有一个总体的设计思路，才是我们设计成功的关键。设计过程中与大家交流是非常必要的。合理的交流能够迅速地发现自己的不足，同时够吸纳别人的长处，避免自己在设计中走弯路，也能给自己、他人动力和信心。我认为做设计要独立自主、主动进取，同时兼容并包，积极的采纳大家的良意，并虚心向他人学习。最后，欢迎各位老师和同学们对设计中存在的错误和不足之处给予指出。七、参考文献［1］ 王兆安，刘进军主编，电力电子技术［M］。机械工业出版社2009［2］ 杜刚主编，电路板设计与制作一一Protel应用教程［M］。清华大学出版社2010［3］ 叶斌主编，电力电子应用技术［M］。清华大学出版社2006［4］ 赵修科主编，开关电源中磁性元器件［M］。2004附表1正激变换器拓扑最大可能输出功率输出功率A亡A.w(cm4)20kHz24kHz4SkHz72kHz96kHz1.50kHz200kHz250kHz300kHz体积(cn?)P型【罐型）磁芯Philips7040.0700.0020.00.10.120J040.50.60.70.079()50.1010.0240.0030.10.30.40.5o.s1.11.41.60.1311070.1670.0540.009oa0.7L01.4222.93.6斗0.25140