大功率回扫充电变压器工作状态的几点分析
2004-06-02 10:54:08
来源：国际电子变压器2004年6月刊
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大功率回扫充电变压器工作状态的几点分析
Some analysis for operative condition of high power charge flyback transformer
回扫充电变压器工作状态与单端反激式开关变压器相类似，应用于调制器充电回路中，主要工作在储存能量和向负载放电释放能量两种状态，它的负载通常都是人工线（脉冲形成回路）。下面将分别讨论：
1调制器充电回路原理图(图l)
主要工作过程：当开关管V1、V2导通时，电源向变压器充电，变压器初级已储存能量，当开关管关断时，次级电压反向，V5充电硅堆导通，次级向人工线释放能量进行充电，所以根据开关管关断时间toff和次级电流衰减到零的时间关系，可将回扫变压器分为三种状态，即电流临界、连续、不连续。回扫充电变压器的初级在开关管导通时次级回路V5充电硅堆因电压反相而截止，变压器初级充电储存能量，即相当于一个电感线圈。当开关管关断时，由于电流突变，次级感生电动势反向，V5导通，从而向人工线(PFN)进行充电。
2磁化电流临界状态
当开关管关断时间toff和绕组N2中电流I2衰减到零的时间相等时，即 toff =L2/Vo·I2P，此时的电感量L2为次级临界电感，L2=toff·Vo/VI2P ①，
②
可得出以下几个关系式：
③
④
⑤
具体如我所某种产品为例，任务书提出充电时间为ton =160μs，次级放电时间为toff=250μs，人工线电压为5000V，初次级匝比为1/12，初级峰值电流I1P=53A，那么我们利用式⑤可计算出初级励磁电感
可以看出，此时L1临界电感为L′，在这个L′条件下，toff=L2/Vo·I2P，即在开关管BG1截止时间终了时，次级绕组的放电电流I2正好下降到零，在下个周期开始时，初级绕组N1中的电流I1正好也从零开始。
3磁化电流不连续状态
从上面论述中可推理出，当初级电感小于临界电感（L1I2p·L2/V2时，当开关管BG1关断之前，次级绕组N2的能量已经负载释放完毕，即N2中的电流I2在开端之前已衰减到零。在下一个周期开关管导通时，变压器初级电流又从零开始近似地按（V1/L1）t的规律上升。
4磁化电流连续状态
当toff ，换算为功率是
。假定电路没有损耗，根据能量守恒原理，通过变压器次级向人工线释放的能量应该相等，即
，C为人工线总电容量，
⑥
U即为人工线充电电压，所以这一点与回扫充电变压器纯阻负载有所区别；在一般的线路中，可推导出
，当RL为已知时，
⑦
由此式可看出，输出电压UL与RL有关，RL愈大则输出电压愈高，反之负载电阻RL愈小，则输出电压愈低。但是通过⑥可看出，工作在调制器回路的充电变压器，负载即人工线的电容量C越小UL越高；电容量越大，UL越小。这也是回扫充电变压器区别普通单端反激式开关变压器的一个特点。
6设计中应注意的问题
我们都知道，反激型开关变压器工作在磁滞回线的第一象限，且回扫充电变压器的初级峰值电流都比较大，以及开关管动作造成的开关噪声和浪涌电流可以造成变压器铁心饱和。设计时，应充分考虑这一问题，解决铁心饱和，一般有采取去磁电路、大容量铁心等方法，但我们一般都采取在磁路中加入气隙的方法，因为加入适当的气隙，增大了磁阻，使回线变得扁平，在相同的直流偏置下，所对应的B值较低，使铁心不易饱和。在磁路中，由于空气隙的μe值约等于1，远小于铁芯的μ值，所以它储存了磁场的大部分能量，所以需合理选择空气隙的长度，基本公式为：
⑧
式中：lg——是所取空气隙的长度， Sg——是所取气隙后等效截面积。
我们一般认为气隙长度为磁路长度的1%~3%比较合适，这样既提高了铁心的抗饱和能力，又使得变压器的漏感控制在一个比较小的范围内。确定合理的空气隙长度lg，这样取得较理想的低Br磁滞回线，再合理选择△B值，可保证初级完全的储存能量，并能使得初级的di/dt有良好的线性度，提高充电精度和稳定度。这不完全等同于我们普通的滤波电感器的设计方法。
7关于磁通复位问题
前面论述中，我们知道，回扫充电变压器的工作原理是单端反激式开关变压器，工作在回线的第一象限，随着初级电流I1的增长，初级磁通Φ1也随之不断增长，同样由于是反激式，当次级释放能量时，随着次级电流I2的增长，次级磁通Φ2也随之逐渐减小。如公式所示：
⑨，
⑩ ，通过以上两式我们可推导出
，所以根据上式可看出，设计所需的各项指标如V1、V2、toff、ton等必须满足上式关系，当然这里的toff特指的是次级电流给人工线充电时间。假如在每一个工作周期结束时，磁通没有回到周期开始时的出发点，则磁通将随着周期的重复而逐渐增加，工作点B值不断增大，使得铁心趋于饱和，电流变大，从而造成开关管的损坏。
8噪声与温升
在大功率调制器中，回扫充电变压器的噪声大和温升高一直是个无法回避的问题，我们在工程实践中发现，合理的结构形式和取值，能较好地改善这两个问题。比如，摈弃以前传统的箍带与底座的固定方式，而采用上下压板的结构形式，适当地选取工作时的△B值，噪声有了明显减小。
关于温升问题，我们知道变压器的温升主要是由铁损和铜损两部分组成，那么降低温升主要从这两个方面着手解决。铁损是和铁心工作时动态磁滞回线的面积成正比，所以我们要根据变压器工作时的脉冲宽度及重复频率合理地选择△B值和钢带厚度，同时也要根据初级有效电流的大小和等效频率合理地选择导线线径。
9结束语
在脉冲重复频率变化范围较大，负载变化范围宽以及纹波电压要求较高的电气设备中，回扫充电变压器已得到了很好的应用。但如何进一步提高回扫变压器的效率以及更好地降低温升和噪声，还有很多有意义的工作要做。上文只是本人根据平时的工作实践，谈谈一些浅 显的体会，欢迎大家批评指正。
参考文献
[1]叶治政 叶靖国 《开关稳压电源》 高等教育出版社
[2]郑槐 孙振鹏 “大功率脉冲调制器回扫电源的设计”
《现代电子》98年第二期
主要工作过程：当开关管V1、V2导通时，电源向变压器充电，变压器初级已储存能量，当开关管关断时，次级电压反向，V5充电硅堆导通，次级向人工线释放能量进行充电，所以根据开关管关断时间toff和次级电流衰减到零的时间关系，可将回扫变压器分为三种状态，即电流临界、连续、不连续。回扫充电变压器的初级在开关管导通时次级回路V5充电硅堆因电压反相而截止，变压器初级充电储存能量，即相当于一个电感线圈。当开关管关断时，由于电流突变，次级感生电动势反向，V5导通，从而向人工线(PFN)进行充电。
2磁化电流临界状态
当开关管关断时间toff和绕组N2中电流I2衰减到零的时间相等时，即 toff =L2/Vo·I2P，此时的电感量L2为次级临界电感，L2=toff·Vo/VI2P ①，
②
可得出以下几个关系式：
③
④
⑤
具体如我所某种产品为例，任务书提出充电时间为ton =160μs，次级放电时间为toff=250μs，人工线电压为5000V，初次级匝比为1/12，初级峰值电流I1P=53A，那么我们利用式⑤可计算出初级励磁电感
可以看出，此时L1临界电感为L′，在这个L′条件下，toff=L2/Vo·I2P，即在开关管BG1截止时间终了时，次级绕组的放电电流I2正好下降到零，在下个周期开始时，初级绕组N1中的电流I1正好也从零开始。
3磁化电流不连续状态
从上面论述中可推理出，当初级电感小于临界电感（L1 。假定电路没有损耗，根据能量守恒原理，通过变压器次级向人工线释放的能量应该相等，即 ，C为人工线总电容量， ⑥
U即为人工线充电电压，所以这一点与回扫充电变压器纯阻负载有所区别；在一般的线路中，可推导出 ，当RL为已知时， ⑦
由此式可看出，输出电压UL与RL有关，RL愈大则输出电压愈高，反之负载电阻RL愈小，则输出电压愈低。但是通过⑥可看出，工作在调制器回路的充电变压器，负载即人工线的电容量C越小UL越高；电容量越大，UL越小。这也是回扫充电变压器区别普通单端反激式开关变压器的一个特点。
6设计中应注意的问题
我们都知道，反激型开关变压器工作在磁滞回线的第一象限，且回扫充电变压器的初级峰值电流都比较大，以及开关管动作造成的开关噪声和浪涌电流可以造成变压器铁心饱和。设计时，应充分考虑这一问题，解决铁心饱和，一般有采取去磁电路、大容量铁心等方法，但我们一般都采取在磁路中加入气隙的方法，因为加入适当的气隙，增大了磁阻，使回线变得扁平，在相同的直流偏置下，所对应的B值较低，使铁心不易饱和。在磁路中，由于空气隙的μe值约等于1，远小于铁芯的μ值，所以它储存了磁场的大部分能量，所以需合理选择空气隙的长度，基本公式为：
⑧
式中：lg——是所取空气隙的长度， Sg——是所取气隙后等效截面积。
我们一般认为气隙长度为磁路长度的1%~3%比较合适，这样既提高了铁心的抗饱和能力，又使得变压器的漏感控制在一个比较小的范围内。确定合理的空气隙长度lg，这样取得较理想的低Br磁滞回线，再合理选择△B值，可保证初级完全的储存能量，并能使得初级的di/dt有良好的线性度，提高充电精度和稳定度。这不完全等同于我们普通的滤波电感器的设计方法。
7关于磁通复位问题
前面论述中，我们知道，回扫充电变压器的工作原理是单端反激式开关变压器，工作在回线的第一象限，随着初级电流I1的增长，初级磁通Φ1也随之不断增长，同样由于是反激式，当次级释放能量时，随着次级电流I2的增长，次级磁通Φ2也随之逐渐减小。如公式所示： ⑨， ⑩ ，通过以上两式我们可推导出 ，所以根据上式可看出，设计所需的各项指标如V1、V2、toff、ton等必须满足上式关系，当然这里的toff特指的是次级电流给人工线充电时间。假如在每一个工作周期结束时，磁通没有回到周期开始时的出发点，则磁通将随着周期的重复而逐渐增加，工作点B值不断增大，使得铁心趋于饱和，电流变大，从而造成开关管的损坏。
8噪声与温升
在大功率调制器中，回扫充电变压器的噪声大和温升高一直是个无法回避的问题，我们在工程实践中发现，合理的结构形式和取值，能较好地改善这两个问题。比如，摈弃以前传统的箍带与底座的固定方式，而采用上下压板的结构形式，适当地选取工作时的△B值，噪声有了明显减小。
关于温升问题，我们知道变压器的温升主要是由铁损和铜损两部分组成，那么降低温升主要从这两个方面着手解决。铁损是和铁心工作时动态磁滞回线的面积成正比，所以我们要根据变压器工作时的脉冲宽度及重复频率合理地选择△B值和钢带厚度，同时也要根据初级有效电流的大小和等效频率合理地选择导线线径。
9结束语
在脉冲重复频率变化范围较大，负载变化范围宽以及纹波电压要求较高的电气设备中，回扫充电变压器已得到了很好的应用。但如何进一步提高回扫变压器的效率以及更好地降低温升和噪声，还有很多有意义的工作要做。上文只是本人根据平时的工作实践，谈谈一些浅 显的体会，欢迎大家批评指正。
参考文献
[1]叶治政 叶靖国 《开关稳压电源》 高等教育出版社
[2]郑槐 孙振鹏 “大功率脉冲调制器回扫电源的设计”
《现代电子》98年第二期
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