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有关正激、反激脉冲变压器设计的几个问题

2006-01-17 09:15:24 来源:《国际电子变压器》2006年2月刊 点击:1878

读了《开关电源脉冲功率变压器的一种设计方法》(见2005.6.《国际电子变压器》)一文后,发觉不妥之处甚多,现整理出如下几条意见,一则与原作者商榷,二则供业内人士辨析、参考。
1原文 2.2 设计变压器的基本公式
原作者给出的公式为:,式中,K—系数,对正弦波为4.44,对矩形波为4.0。
当变压器的外施电压为正弦波时,上式基本上是对的,式中为磁通密度的幅值,但应改为U,U为正弦波电压的有效值(不是幅值)。
当变压器的外施电压为矩形波时,上式是不对的,应改为:
式中,为脉冲电压的幅值,D为占空比,是电压幅值为时在期间内的磁通密度的变化量。
对于正激变压器和电流不连续模式反激变压器,;
对于电流连续模式反激变压器,,为对应于直流分量所产生的磁场强度的磁通密度;
对于推挽和桥式变压器,。
由此可见,原作者所给出的基本公式,仅适用于其外施电压为双极性矩形波的推挽和桥式变压器,且为当占空比D=0.5时的特例(这时K=4)。
2原文5.2单极性开关电源变压器的计算
(1)单端反激式计算
2.1关于临界电感值:
在指定的输入电压和输出功率时,令变换器工作在临界状态下的变压器绕组的电感值,称为临界电感值。
原作者给出最小的临界电感值的计算公式如下:

显然,计算时,必须以代入上式,即:
在指定输入电压为最小值,输出功率为最大值时,若选取一次绕组的电感值,则变换器工作在临界状态。在设计反激变压器时,这种情况下都是选取,(而不是如作者所说,通常要求),以确保变换器在的任一工作条件下,均在电流不连续模式下工作。
若以代入上式,则可列出最大的临界电感值的计算公式如下:

在指定输入电压为最大值,输出功率为最小值时,若选取一次绕组的电感值,则变换器工作在临界状态。在设计反激变压器时,这种情况下都是选取(亦非如作者所说,通常要求),以确保变换器在和的任一工作条件下,均在电流连续模式下工作。
当然,一次绕组的电感值也可以作折衷的选取,令,这适用于负载比较稳定,工作于宽输入电压范围,且无APFC 的反激变换器或输入电压变化不大,但负载变化范围较大的反激变换器。当输入电压低或输出功率大时,变换器工作在电流连续模式,而当输入电压高或输出功率小时,变换器则工作在电流不连续模式。
2.2关于一次绕组电流的有效值
原作者给出的一次绕组峰值电流的计算公式如下:

公式中的峰值电流应改为,为一次绕组在期间电流的变化量。
对于电流不连续模式反激变压器,一次绕组电流为幅值为的三角波,;
对于电流连续模式反激变压器,一次绕组电流为梯形波,峰值电流为直流分量与之和,即。
正因为一次绕组电流不是矩形波,所以不能用原作者给出的公式来计算一次绕组电流的有效值,现将有关的计算公式列出如下(推导从略,详见参考文献),供参考引用。

或  
对于电流不连续模式反激变压器,其一次绕组电流的有效值为:

对于电流连续模式反激变压器,其一次绕组电流的有效值为:

式中,为变压器一次绕组电流的平均值,设变压器的效率为η,则:

2.3关于二次绕组电流的有效值
二次绕组电流的有效值,是设计二次绕组的重要依据,因原作者在文中未曾提及,故将有关计算公式列出如下(推导从略,详见参考文献),供参考引用。
a.电流不连续模式反激变压器:
二次绕组电流由峰值减小至零所需的时间(即整流二极管的导通时间):
       
在期间,二次绕组电流的变化量:

二次绕组电流的有效值:

b.电流连续模式反激变压器:
在开关管关断期间,二次绕组电流由峰值减小至,二次绕组电流的变化量为:

二次绕组电流的平均值:

二次绕组电流的有效值:

3原文5.2 单极性开关电源变压器的计算
(2)单端正激式计算
3.1关于一次绕组匝数
原作者给出的计算公式是错误的,应改为:

3.2关于一次绕组电流的有效值
原作者给出的计算公式是错误的,一次绕组电流的有效值可按下式求得(推导从略,详见参考文献):

式中,为考虑激磁电流分量而引入的系数,它与变压器容量的大小及磁路的饱和程度有关,通常可取=1.05~1.10。
4结束语
业内人士都知道,脉冲功率变压器是开关电源的核心器件,变压器设计的好坏,与开关电源的技术经济指标密切相关。但是,有一些设计者却不作辨析,沿用某种不准确、甚至是错误的设计方法和计算公式来设计变压器,而使产品的质量不高。有趣的是,他们所设计的变压器,往往还真能在开关电源上如常运行(因为有PWM控制),并使他们自以为已经成功地完成了变压器的设计。
其实不然,他们所设计的变压器必然存在或多或少、或大或小的各种问题,除非是碰巧了。可以肯定,其有关开关电源性能的各参量的实测数据,必定与设计的计算值有较大的差异,即开关电源变压器的性能没有达到设计所预期的目标。开关电源可以在某一工作点正常运行,但却不能保证可以在宽电压范围或宽负载范围内稳定运行;变压器可能因损耗大、温升高、效率低而缩短使用寿命和浪费电能;可能变压器的温升和效率都合格,但那是由于选用了较大的磁心和使用了较多的铜线,造成原材料的浪费。结果是,由于错误的设计,使开关电源这一绿色的环保产品不环保,十分遗憾。
一点建议:
有鉴于此,为了提高开关电源变压器的设计和制造水平(开关电源的技术水平必因此而得到相应的提高),由有关单位(例如大比特资讯)组织有关专业人士(例如《电子变压器技术》编委会的某些成员),编制一套简明实用,并给设计者留有发挥创意空间的各种开关电源变压器的设计计算程序,供开关电源和电子变压器的设计工程师参考使用,也许是很受欢迎的。
参考文献:
大比特资讯培训中心教材:《软磁铁氧体磁心开关电源变压器的原理与设计》(2004年)。

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