反激式高频变压器的分析与设计

石油人在北京

反激式高频变压器的分析与设计
王牧之，王君艳
(上海交通大学，上海200240)
摘要：随着反激式高频链逆变器在小功率领域应用的不断扩大，为了研究出其核心部件：反激式高频变压器有效实用
的设计方式。在此结合了A，法及电流密度经验公式。对于变压器A。值的确定方法进行了改进，通过设计实例．用详实、具
体的步骤揭示了高额变压器设计、制作的复杂程序。最后，为了验证设计效果。设计实例中的实验品在250 VA反激式高频
链逆变器中进行了测试使用，测试结果表明设计的变压器性能良好，设计方法清晰、明了。
关键词：高频链；高频变压器；反激式；气隙
中圈分类号：TN919-34；TM402 文献标识码：A 文章编号：1004—373X(2011)08—0157—04
Analysis and Design of Flyback High-frequency Transformer
WANG Mu-zhi。WANG Jun—yan
(Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240。China)
Abstract：As the application of flyback high—frequency link inverter is increasingly expanded in the field of low power，it
is necessary tO work out how to efficiently design its core component，flyback high frequency transformer．In combination
with the Ap method and empirical formula of the current density，the way tO determine the AP value of a transformer is im—
proved．The complex procedures of the high frequency transformer design are revealed with detailed examples and specific
steps．The designed prototype was tested in a250 VA flyback high frequency link inverter to verify the design effect．The test
results show that the transformer works well and the design method is feasible．
Keywords：high—frequency link；flyback high-frequency transformer inverter air gap
0引言
随着电力电子技术的不断发展和应用领域的不断
扩大．传统的工频逆变器因存在变压器体积过大、输出
滤波器笨重、容易产生音频噪声及系统的动态响应特性
较差等缺点，已不能适应现代电源技术发展的潮流与需
求，而高频链逆变器则因为拥有高可靠性、高效率、高频
化、高功率密度、低损耗等特点，正在逐渐取代传统的工
频逆变器，成为新一代逆变器的主流发展方向之一。
作为高频链逆变器的核心部件，高频变压器同时具
备传输能量、电气隔离、储能、升降压等功能。其性能好
坏，将直接决定整个逆变器性能的优劣。在各类高频变
压器的设计中。以反激变换器拓扑中的变压器最复杂，
而在小功率范围内。反激式高频链逆变器的拓扑目前是
综合性能最好的拓扑结构，因此，本文的研究重点将放
在反激式高频链逆变器的高频变压器的设计上。
1反激式高频链逆变器简介
反激式(Flyback)高频链逆变器又称电流型高频链
收稿日期：2010—12-07
逆变器，它是以反激变换器拓扑为基础演变而来的，其
电路拓扑如图1所示。它由高频逆变器、高频变压器和
周波变换器组成，其中高频变压器不仅提供电气隔离和
电压调整而且还可以存储能量，因此可以省掉输出滤波
电感。相比于其它结构的高频链逆变器，反激变换器的
电流源高频链逆变器具有拓扑结构简单、能量双向流
动、控制易于实现、无电压过冲问题等优点。
图1 反激式高频链逆变器拓扑结构
针对反激式高频链逆变器的高频变压器设计需要
注意以下2点：
(1)反激型电路工作于电流断续模式时，变压器的
磁芯利用率较高，I]。故在设计反激型变压器时，应根据
DCM模式下的公式去计算原副边电压比；
万方数据
158 现代电子技术2011年第34卷
(2)在设计反激型电路的变压器时，必须设计足够
的磁芯气隙来防止磁芯饱和状态并平衡直流成分。
2变压器设计分析
2．1磁芯材料
设计高频变压器首先从选择磁芯材料开始，高频开
关电源的变压器磁芯大多是在低磁场下使用的软磁材
料。具有较高的磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导
率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能够
承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可
减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也
少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。各种磁芯物理性
能及价格比较如表1所示【2]。铁氧体材料是复合氧化
物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但饱和磁通比
较小。本文设计就采用铁氧体材料。
裹1 各类型磁芯物理性能及价格对照衰
2．2磁芯尺寸
确定变压器尺寸较为简洁常用的方法是A。法
(A。一A。A。)，即通过计算磁芯截面积A。和窗口截面
积A，的乘积值来选择磁芯材料的尺寸型号，变压器的
A。值可由式(1)确定‘¨。
kf“，df
AP—AeAW 2亩n)
对于半桥型及全桥型变换电路，由变压器电压、电
流及功率间的关系，式(1)可进一步表示为【3]：
Ap 2瓣rt (2)
式中：／为开关频率，P，为原边与副边的总视在功率。
如果变压器的温升限制在30℃，导线的电流密度
J(单位：A／m2)可以由经验公式[31求得：
J=450×104×Aio·125 (3)
将式(3)代入式(2)，并将A。的量纲转换成
cm4得：
A，=＼2△墩P,。>×45104。I)l‘143=＼1△1擞．I纠P,‘“3(4)
式中：／取变压器工作频率，志。取常用值0．4。
P。可由输出视在功率P。和效率刁确定。但会随线
路结构不同而有不同的关系心]。当原边与副边均无中
心抽头时：
P。=P。(1／呀+1) (5)
当原边无中心抽头，副边有中心抽头时：
P。=P。(1／,／+抠) (6)
当原边与副边均有中心抽头时：
P。=P。(1／r}4-1)√虿(7)
对于图1的拓扑结构，P，的表达式适用于式(5)。
工作磁通密度变化量AB。。则根据不同的电路结构
和磁芯饱和磁通密度确定，若变换器为单端电路，磁芯
磁通的变化曲线如图2(a)所示，因此AB。。应小于磁芯
材料的饱和磁通密度与剩余磁通密度之差；若变换器为
双端电路，由于磁通可在正负双向变化(如图2(b))，则
AB。。应小于磁芯材料的饱和磁通密度的2倍[1]。除了
符合以上条件外，还应适当降低AB。。，以防磁芯在某工
作频率下损耗过大导致过热。
‘!77—I— 厂f
| ～ f k』．
厂．) 硅
，／
Z．·^￡一．
(a)单端电路lbJ双端电路
图2磁芯磁角变化曲线
2．3原边绕组与副边绕组匝数
原边匝数可根据式(8)确定，即：
N，=盈Ui_,ton瓦=万U丽’OmZax (8)
式中：N。为原边绕组；U，为原边直流电压；t。。为导通时
间；D。。为工作电路中的最大占空比；△B。。为交变工作
磁密，△B为交变工作磁密摆幅；f。为工作频率。
副边匝数则根据不同电路结构的输人输出电压关
系计算：
N，=K。Np I厅Jo (9)
式中：N，为副边绕组；U。为输出电压(单位：V)；K。为
电路结构系数，在不同的电路结构下有不同的表达式，
在反激式电路拓扑结构下，因此电路结构系数K。可由
式(10)[41表示：
K。=√2(1一D。。)／D。。(10)
2．4原边绕组与副边绕组导线尺寸选择
首先计算原边电流平均值，。。。。和副边输出电流值
J。，并由式(3)确定电流密度J，再由：