脈沖變壓器也可稱(chēng)作開(kāi)關(guān)變壓器，或簡(jiǎn)單地稱(chēng)作高頻變壓器。在傳統的高頻變壓器設計中，由于磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著(zhù)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統的小型化、高頻化和大功率化已成為一個(gè)永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。

 

隨著(zhù)應用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴展，開(kāi)關(guān)電源的應用愈來(lái)愈廣泛，但制作開(kāi)關(guān)電源的主要技術(shù)和耗費主要精力就是制作開(kāi)關(guān)變壓器的部件。

 

開(kāi)關(guān)變壓器與普通變壓器的區別大致有以下幾點(diǎn)：

 

(1)電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級繞組中電流都是非正弦波。

 

(2)變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十赫茲，甚至高達幾十萬(wàn)赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時(shí)必須考慮能滿(mǎn)足高頻工作的需要及鐵芯中有高次諧波的影響。

 

(3)繞組線(xiàn)路比較復雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級繞組的尺寸，增大了變壓器的體積和重量，而且使繞組在鐵芯窗口中的分布關(guān)系發(fā)生變化。

圖1開(kāi)關(guān)電源原理圖

 

本文介紹了一款如圖1所示的DC—DC變換器，輸入電壓為直流24V，輸出電壓分別為5V及12V的多路直流輸出。要求各路輸出電流都在lA以上，核心器件是美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片UC3842，最高工作頻率可達200kHz。根據鋅錳鐵氧體合金的優(yōu)異電磁性能，通過(guò)具體示例介紹工作頻率為100kHz的高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設計及注意事項。

 

 

從變壓器的性能指標要求可知，傳統的薄帶硅鋼已很難滿(mǎn)足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設計要求。磁芯的材料只有從坡莫合金、鐵氧體材料、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金幾種材料中來(lái)考慮。坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價(jià)格高，約為鐵氧體材料的數倍，而飽和磁感應強度Bs也不是很高，且加工工藝復雜?？紤]到我們所要求的電源輸出功率并不高，大約為30W，因此，綜合幾種材料的性能比較，我們還是選擇了飽和磁感應強度Bs較高，溫度穩定性好，價(jià)格低廉，加工方便的性?xún)r(jià)比較低的鋅錳鐵氧體材料，并選以此材料作為框架的EI28來(lái)繞制本例中的脈沖變壓器。

 

 

根據相關(guān)資料，EC35輸出功率為50W，飽和磁感應強度大約在2000Gs左右。買(mǎi)來(lái)的磁芯，由于廠(chǎng)家提供的磁感應強度月，值并不準確，可用圖2所提供的方式粗略測試一下。將調壓器接至原線(xiàn)圈，用示波器觀(guān)察副線(xiàn)圈輸出電壓波形。將原線(xiàn)圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發(fā)生奇變。此時(shí)，磁芯已飽和，根據公式：

 

U=4.44fN1Φm可推知在工頻時(shí)的Φm值。要求不高時(shí)，可根據測算出的Φm，粗略估算出原線(xiàn)圈的匝數：

圖2工作點(diǎn)測試示意圖

 

 

本例中的變換器采用單端反激式工作方式，單端反激變換器在小功率開(kāi)關(guān)電源設計中應用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種：電流連續模式和電流斷續模式。前者適用于較小功率，副邊二極管存在沒(méi)有反向恢復的問(wèn)題，但MOS管的峰值電流相對較大;后者M(jìn)OS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極管的反向恢復問(wèn)題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據實(shí)際需求來(lái)選擇，本文采用了后者。

 

設計變壓器時(shí)大多需要考慮下面問(wèn)題：變換器頻率f(H2);初級電壓U1(V)，次級電壓U2(V);次級電流i2(A);繞組線(xiàn)路參數n1、，n2;溫升τ(℃);繞組相對電壓降u;環(huán)境溫度τHJ(℃);絕緣材料密度γz(g/cm3)

 

1)根據變壓器的輸出功率選取鐵芯，所選取的鐵芯的戶(hù)，值應等于或大于給定值。

 

2)繞組每伏匝數

ST是鐵芯的截面積;kT是窗口的填充系數;

 

3)初級繞組電勢

 

　　E1=U1(1-2/u） (2)

 

4)初級繞組匝數

 

　　W1=W0El(3)

 

5)次級繞組電勢

 

　　E2i=U2i(1+u/2） (4)

 

6)次級繞組匝數

 

　　W2i=W0E2i(5)

 

7)初級繞組電流

其中，j是電流密度。

 

詳細的變壓器設計方法與計算相當復雜，本文參照經(jīng)驗公式，依據下面的步驟設計了本例轉換器中的高頻變壓器。

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根據輸出電壓U0的關(guān)系式

 

已知輸出直流電壓U0=±12V、5V，負載電流均為I0=lA，則輸出功率

 

P0=P1+P2+P3=29W

 

開(kāi)關(guān)電源的效率η一般在60～90%之間，本例取η=0.65，則輸入功率為

初級的平均電流為

 

初級繞組的最小電感L1為

 

根據輸入輸出的估算，初線(xiàn)線(xiàn)圈的平均電流值應該允許達到2A。

 

 

初級繞組的線(xiàn)徑可選d=0.80mm，其截面積為0.5027mm2的圓銅線(xiàn)。

 

2)次級繞組

 

次級繞組的線(xiàn)徑可根據各組輸出電流的大小，利用原級相同線(xiàn)徑采用多股并繞的辦法解決。為了方便線(xiàn)圈繞制，也可選用線(xiàn)徑較粗的導線(xiàn)。由于工作頻率較高，應考慮集膚效應的影響。

 

 

繞制開(kāi)關(guān)變壓器最重要的問(wèn)題是想辦法使初、次級線(xiàn)圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因為漏感過(guò)大，將會(huì )造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開(kāi)關(guān)管。因此，在繞制高頻變壓器線(xiàn)圈時(shí)，應盡量使初、次級線(xiàn)圈之間的距離近些。

 

具體可采用以下方法：

 

(1)雙線(xiàn)并繞法

 

將初、次級線(xiàn)圈的漆包線(xiàn)合起來(lái)并繞，即所謂雙線(xiàn)并繞。這樣初、次級線(xiàn)間距離最小，可使漏感減小到最小值。但這種繞法不好繞制，同時(shí)兩線(xiàn)間的耐壓值較低。

 

(2)逐層間繞法

 

為克服并繞法耐壓低、繞制困難的缺點(diǎn)，用初、次級分層間繞法，即1、3、5行奇數層繞初級繞組，2、4、6等偶數層繞次級繞組。這種繞法仍可保持初、次級間的耦合，又可在初、次級間墊絕緣紙，以提高絕緣程度。

 

(3)夾層式繞法

 

把次級繞組繞在初級繞組的中間，初級分兩次繞。這種繞法只在初級繞組中多一個(gè)接頭，工藝簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)。

 

本例中，為減小分布參數的影響，初級采用雙線(xiàn)并繞連接的結構，次級采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，即所謂堆疊繞法。降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可*性。在變壓器的絕緣方面，線(xiàn)圈絕緣應盡量選用抗電強度高、介質(zhì)損耗低的復合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力，本例中，因為不涉及高壓，絕緣問(wèn)題不必特殊考慮。

 

 

繞制脈沖變壓器是制作開(kāi)關(guān)電源的重要工作，也是設計與制作過(guò)程中消耗大量時(shí)間和主要精力的工作。變壓器做得好，整個(gè)設計與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會(huì )出現停振、嘯叫或輸出電壓不穩、負載能力不高等現象。在變壓器的溫升

 

(1)即使輸入電壓最大，主開(kāi)關(guān)器件導通時(shí)間最長(cháng)，也不至于使變壓器的磁芯飽和;

 

(2)初級線(xiàn)圈與次級線(xiàn)圈的耦合要好，漏電感要小;

 

(3)高頻開(kāi)關(guān)變壓器會(huì )因集膚效應導致電線(xiàn)的電阻值增大，因而要減小電流密度。通常，工作時(shí)的最大磁通密度取決于次級線(xiàn)圈。

(4)一般來(lái)說(shuō)，采用鐵氧體磁芯E128時(shí)，要把Bm控制在3kGs以下。