输出带有中间抽头高频大功率变压器
设计过程和计算方法
摘要：详细介绍了一个带有中间抽头高频大功率变压器设计过程和计算方法，以及要注意问题。根据开关电源变换器性能指标设计出变压器经过在实际电路中测试和验证，效率高、干扰小，表现了优良电气特性。PCbfans.cn提示
关键词：开关电源变压器；磁芯选择；磁感应强度；趋肤效应；中间抽头
0 引言
随着电子技术和信息技术飞速发展，开关电源SMPS(switch mode power supply)作为各种电子设备、信息设备电源部分，更加要求效率高、成本小、体积小、重量轻、具有可移动性和能够模块化。变压器作为开关电源必不可少磁性元件，对其进行合理优化设计显得非常重要。在高频开关电源设计中，真正难以把握是磁路部分设计，开关电源变压器作为磁路部分核心元件，不但需要满足上述要求，还要求它性能高，对外界干扰小。由于它复杂性，对其设计一、两次往往不容易成功，一般需要多次计算和反复试验。因此，要提高设计效果，设汁者必须有较高理论知识和丰富实践经验。
1 开关电源变换器性能指标
开关电源变换器部分原理图如图1所示。请看下图:
其主要技术参数如下： 电路形式 半桥式 ； 整流形式 全波整流； 工作频率 f=38kHz；
变换器输入直流电压 Ui=310V； 变换器输出直流电压 Ub=14.7V； 输出电流 Io=25A；
工作脉冲占空度 D=0.25～O.85； 转换效率 η≥85％；
变压器允许温升 △τ=50℃； 变换器散热方式 风冷；
工作环境温度 t=45℃～85℃。
2 变压器磁芯选择以及工作磁感应强度确定
2.1 变压器磁芯选择
目前，高频开关电源变压器所用磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。这些材料中，坡莫合金价格最高，从降低电源产品成本方面来考虑不宜采用。非晶合金和超微晶材料饱和磁感应强度虽然高，但在假定测试频率和整个磁通密度测试范围内，它们呈现铁损最高，因此，受到高功率密度和高效率制约，它们也不宜采用。虽然铁氧体材料损耗比坡莫合金大些，饱和磁感应强度也比非晶合金和超微晶材料低，但铁氧体材料价格便宜，可以做成多种几何形状铁芯。对于大功率、低漏磁变压器设计，用E-E型铁氧体铁芯制成变压器是最符合其要求，而且E-E型铁芯很容易用铁氧体材料制作。所以，综合来考虑，变换器变压器磁芯选择功率铁氧体材料，E-E型。
2.2 工作磁感应强度确定
工作磁感应强度Bm是开关电源变压器设计中一个重要指标，它与磁芯结构形式、材料性能、工作频率及输出功率因素有关关。若工作磁感应强度选择太低，则变压器体积重量增加，匝数增加，分布参数性能恶化；若工作磁感应强度选择过高，则变压器温升高，磁芯容易饱和，工作状态不稳定。一般情况下，开关电源变压器Bm值应选在比饱和磁通密度Bs低一些，对于铁氧体材料，工作磁感应强度选取一般在0.16T到0.3T之间。在本设计中，根据特定工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在0.2 T。
3 变压器主要设计参数计算
3.1 变压器计算功率
开关电源变压器工作时对磁芯所需功率容量即为变压器计算功率，其大小
取决于变压器输出功率和整流电路形式。变换器输出电路为全波整流，因此请看下图:
变压器计算功率=变压器输出功率*(1.414+1/效率) 式中：Pt为变压器计算功率，单位为W； Po为变压器输出功率，单位为W；
3.2 磁芯设计输出能力确定
磁芯材料确定后，磁芯面积乘积反映了变压器输出功率能力。其磁芯面积为
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磁芯截面积乘积=磁芯截面积*磁芯窗口截面积=(变压器计算功率*10/4*磁芯工作磁感应强度*工作频率*窗口占空系数*电流密度系数)1.16
式中：Pt为变压器计算功率，单位为W； Ap为磁芯截面积乘积，单位为cm4； Ac为磁芯截面积，单位为cm2；Ae
Am为磁芯窗口截面积，单位为cm2；Aw
Bm为磁芯工作磁感应强度，单位为T；在0.16T到0.3T之间，根据特定工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在0.2 T f为工作频率 ，单位为HZ Kw为窗口占空系数取0.2；
Kj为电流密度系数(温升为50℃时，E形磁芯取534)。
3.3 磁芯实际输出能力
在磁芯工作状态确定后，选择磁芯结构参数应稍大于Ap值。因为该变压器散热方式是风扇冷却，磁芯实际输出能力至少应大于设计输出能力10％，若散热方式是自动冷却，则要求实际输出能力比设计输出能力大更多。查相关手册，找到符合本设计要求E型磁芯规格为E42C，尺寸为a=4.2 cm，b=2.11 cm，c=2 cm，d=1.2 cm，e=2.95 cm，f=1.53 cm。
其实际输出能力为请看下图:
E型 PQ型
A-磁芯长度 B-磁芯高度 C-磁芯宽度 D-磁芯舌头宽度（直径） E-磁芯间隙宽度（加磁芯舌头宽度） F-磁芯间隙高度
磁芯截面积乘积=铁占空系数*磁芯截面积*磁芯窗口截面积=铁占空系数cd(e-d)*
由此可见，Ap’大于Ap(1+10％)=3.48x(1+10％)=3.83 cm4，因此，所选磁芯符合要求。
式中：k 为铁占空系数，取k=O.6。
e 磁芯间隙 整个磁芯宽度（包括磁芯舌头） d 磁芯舌头宽度
3.4 绕组匝数计算
因为变换器电路形式为半桥式，所以变压器初级电压
Up=Ui/2=310/2=155 V。
变压器初级电压=输入电压/2
在该变换器中满载电流25 A比较大，整流管和滤波电感上压降不可忽视，本变换器所用整流二极管压降在25A电流下约为2．5V，滤波电感直流压降取0．5V；另外，变换器满载工作时会把电压拉低，为避免把工作脉冲占空比拉到最大时电压电流仍然达不到要求，变压器次级电压要有一定裕度，一般取变换器输出电压30％；所以，变压器次级电压
Us=（14.7+2.5+O5）+14.7×30％=22.1l V。
次级电压=(输出电压+整流二极管压降+滤波电感直流压降)+输出电压*30%
3.4.1 初级绕组匝数N1
初级绕组匝数=(变压器初级电压*初级输入脉冲电压宽度/2*工作磁感应强度*磁芯截面积)=变压器初级电压*初级输入脉冲电压宽度/2*铁占空系数*c*d(磁芯尺寸)
3.4.2 次级绕组匝数N2
次级绕组匝数N2=次级电压*初级绕组匝数/变压器初级电压 式中：Ton为初级输入脉冲电压宽度，单位为μs。 取占空度D=O.5，Ton=D/f=13μs。
Ton=0.5/38000=0.000013S=0.013mS=13uS
3.5 导线线径计算
绕组导线大小根据变压器各绕组工作电流和电流密度来确定。另外，若变压器工作频率超过20 kHz，还需要考虑电流趋肤效应影响，导线直径应小于两倍穿透深度。频率为38 kHz时铜导线趋肤深度△~O.41 mm，因此，所取导线直径应小于0.82 mm。
3.5.1 电流密度
电流密度=电流密度系数*磁芯截面积乘积-0.14*10-2 3.5.2 初级绕组所需导线截面积请看下图:
初级绕组导线截面积=(次级绕组匝数*初级电流)/(初级绕组匝数*电流密度)
用线径是O.8mm，截而积是O.5mm2圆铜线两根并绕。
3.5.3 次级绕组截面积
因为本变压器次级是带中间抽头输出，计算导线截面积时，Io需乘以O.707校正系数。因此，次级绕组所需导线截面积为
次级绕组截面积=0.707*初级电流/电流密度