开关电源高频变压器的设计

2021-08-03 来源：榕意旅游网

河　北　工　业　科　技

第16卷　第2期　第10页总第56期　　　　1999年

HEBEIJOURNALOFINDUSTRIAL

SCIENCE&TECHNOLOGY

.16　No.2　P.10Vol

Sum56　　　　1999

开关电源高频变压器的设计

陈保国　庞志锋3　李向荣33

秦皇岛电力公司　秦皇岛　066000

摘　要　在无工频变压器的开关电源中,高频变压器的设计是其关键技术。本文首先介绍开关式集成稳压器的分类和开关电源的电路原理,然后重点阐述高频变压器的设计。

关键词　开关电源;脉宽调制器;高频变压器《中国图书资料分类法》分类号　TM433TheDesignofHigh2FrequencyTransformer

forSwitchingDCSupply

ChenBaoguo　PangZhifeng　LiXiangrong

QinhuangdaoPowerCompany,Qinhuangdao,066000

Abstract　Thehigh2friquencytransformerdesignisakeytechnologyintheswitchingsupply

.Inthispaper,thesortofintegratingswitchingsteady2withoutpowerfrequencytransformer

voltagedevicesandtheprincipleofswitchingDCsuppliesareintroducedfirst,foclowedbythedescriptionofthedesignofHigh2FrequencyTransformerforSwitchingDCsupply.

Keywords　SwitchingDCsupply;pulsewidthmodulator;high2frequencytransformer

　　开关式集成稳压电源被誉为“新型高效节能电源”,它代表着稳压电源的发展方向。选用带高频变压器的单端输出式脉宽调制器,电源效率可达70%～80%左右,并可省掉工频变压器,制成功率为几十瓦的开关电源。高频变压器是其核心部件之一,而高频变压器的设计也是研制开关电源的关键技术。

收稿日期:1999204205;责任编辑:王士忠3工作单位:河北科技大学信息科学与工程系33工作单位:秦皇岛市无线电管理处第一作者简介:男,1960年出生,工程师

1　开关式集成稳压器的分类

无工频变压器式集成开关电源分脉宽调制

式(PWM)和脉频调制式(PFM)两大类。前者是对脉冲宽度进行调制,后者则是对脉冲频率进行调制,均可实现稳压目的。目前,开关电源大多采用PWM方式,也有少数用PFM方式,后者要求滤波电路能在宽频带下工作。表1列出目前国内外生产的脉宽调制器和脉频调制器典型产品的分类。下面以UC3842为例,介绍开关电源和高频变压器的设计。

　第2期　　　　　　　　　　　　　陈保国等　开关电源高频变压器的设计

表1　脉宽调制器和脉频调制器产品分类

最高开输出最大类　型

特　点

国外型号

关频率峰值电流fmax󰃗Hz

IPM󰃗A

UC3842提供+16V启动电压。R1是限流电

国产型号

CW3842CW2018

单端输出中速型

脉宽调制器单端输出UC3842TEA2018

500k500k500k1M1M100k300k1M1M

10151.21.51.5

阻,C1为滤波电容。正常工作后,自馈线圈N2

上的高频电压经过VD1、C3整流滤波,就作为UC3842的正常工作电压。R5、C4用以改善内部误差放大器的频率响应,R3是斜波补偿电阻。开关频率f≈1.8󰃗≈40kHz。C5为消噪电R6C6

容,R10是过流检测电阻,R7是VMOS开关功率管的栅极限流电阻。由C8、VD3、R11、R12、VD2、C9构成两级吸收回路,用于吸收尖峰电压。～VD3选用快恢复二级管FR305。VD1VD4为输出级的整流管,采用肖特基二级管,以满足高频、大电流整流之需要。整机工作过程是首先通过自馈线圈N2对输出电压采样,然后依次经过芯片中的误差放大器、PWM馈存器和输出级,去控制VMOS管的导通与截止,以决定高频变压器的通断状态,最终达到稳压目的。

ΛPC1094UC1825

UC1848高速型

双端输出MC3520UC3520

0.1×2CW35200.2×2CW4941×21×2

中速型TL494UC494A双端输出UC1864

脉频调制器

高速型MC34066

2　开关电源的电路原理

由UC3842构成的开关电源电路如图1所示,T为高频变压器。刚开机时,220V交流电先通过PNF滤掉射频干扰,再经过整流滤波获得约+300V直流电压,然后经R2降压后向

图1　开关电源电路

3　高频变压器的设计

311　磁芯材料的选择

常见软磁铁氧体磁芯的材料性能见表2。表中的材料标号MXO为锰锌铁氧体,NXO为

镍锌铁氧体,NQ为镍铅铁氧体,NGO为镍锌高频铁氧体,GTO为甚高频铁氧体。因NQ、NGO、GTO型软磁性材料的电阻率极高,接近于无穷大,故表中未列出具体数值。

12河　北　工　业　科　技　　　　　　　　　　　　　　第16卷　表2　软磁铁氧体磁芯的材料性能

型　　号

MXO-2000NXO-20NQ-10NGO-5GTO-16

磁导率

(H󰃗Λ󰃗m)20002010516

居里温度

(℃)TC󰃗150400400350200

电阻率

(8・cm)󰃗Θ1×1021×10

饱和磁通

(mT)BS󰃗40020018060200

矫顽力󰃗

(A󰃗m)2479023903180500

最高工作频率

(MHz)fmax󰃗

0.550300300700

极高

极高极高

　　开关电源的频率一般为几十千赫至几百千赫,宜选国产MXO-2000型锰锌铁氧体,其磁导率Λ=2000H󰃗m。由这种材料制成EE型磁芯具有漏感小、耦合性能好、绕制方便等优点。对于20～80W的小功率开关电源,可采用

2E-12型磁芯,磁芯有效截面积SJ=1.44cm,

在初级线圈上储存的电能为112

×2.48×10-3×1.32=2.1mJW=L1IS=

22314　确定初级线圈的匝数N1初级线圈的安匝数N1・IS与所储存的电能W之间存在下述关系式:N1・IS=

饱和磁通密度BS=400mT。使用时为防止出现磁饱和,实取磁通密度B=250mT。312　计算脉冲信号最大占空比Dmax

2×107WB・SJ

(3)

当电网电压在220×(1±0.2)V范围内变化时,对应于176～264V。经全波整流滤波后的直流输入电压V

≈240V,IImax≈360V。单

端反激式开关电源中所产生的反向电动势e≈

Imin

将W=2.1mJ,B=250mT,SJ=1.44cm2代

入(3)式得N1・IS=116.7安匝。因此N1=(N1・IS)󰃗1.3=89.7匝,实取N1=IS=116.7󰃗90匝。采用<0.31mm高强度漆包线绕制。315　确定自馈线圈匝数N2、次级匝数N

170V,线圈漏感造成的尖峰电压VL≈100V。

因V比

Imin

+e+VL≈630V,故开关功率管应能承

确定N1之后,利用下式可计算出N2、N3:

N1(V0+VF)(1-Dmax)(4),N=

Imax

Dmax

受630V以上的高压。计算脉冲信号最大占空

e170・100%=×100%=41.5%e+VImin170+240

式中,V0为线圈两端电压,VF为整流二级管的正向导通压降。自馈线圈中的整流管VD1采用

线圈两端FR305型快恢复二极管,其VF≈1V。电压V0=20V时经整流滤波后可获得大约16

V的直流电压,向UC3842供电。不难算出

90×(20+1)×(1-41.5%)=11.1匝,N2=

240×41.5%取N2=11匝,采用<0.51mm高强度漆包线。次级线圈N2的回路中选用低功耗、大电流、超高速整流器件——肖特基二极管D80-004,其正向导通压降VF≈014V,考虑到输出

Dmax=

313　计算初级线圈的电感量L

高频变压器初级线圈的电感量L1由下式确定:

L1=

Γ(VDmax)。2P0f

IminImin

(1)=240V,

将开关电源效率Γ=70%,V

Dmax=41.5%,输出功率P0=35W,开关频率f=40kHz一并代入(1)式中得到L1=2.48

mH。设满载时的峰值电流为IP,在进行短路保

护时的过载电流为IS,有公式

IP=

电压V0=5V,故

90×(5+0.4)×(1-41.5%)=2.85匝,N3=

240×41.5%鉴于输出电流I0为7A时,线圈的铜阻及输出端引线电阻上均会形成压降,为避免输出电压跌落,应适当提升V0值,可取N3=4匝。用4

ΓV

2P0Imin

Dmax

(2)

不难求出IP=1.0A,IS=1.3A。

　第2期　　　　　　　　　　　　　陈保国等　开关电源高频变压器的设计13

股<1.0mm高强度漆包线并联后绕制而成,此

时电流密度J=2.1A󰃗mm。316　计算应留出的空气隙

为避免因高频变压器发生磁饱和现象而损坏开关功率管,需在E-12磁芯的两侧各留出一定的空气隙∆。假定气隙处磁场未发生泄漏,则

0.04ΠN1IS0.04×3.14×90×1.3==∆=

B250

0.06cm=0.6mm,

UC2842(工业品),三者的区别仅是工作环境温

度范围不同,依次为0～70℃、-55～125℃、

-40～85℃。

由UC3842构成的开关电源属于单端反激变换器式。其最高工作频率尽管可达500kHz,但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制,通常将f设计为几十千赫。使用VMOS管时,f≈40kHz;用双极型开关功率管时,f≈20kHz为宜。当电路起振后,用示波器从

周期UC3842的第4脚可观察到幅度约115V、为25Λs的锯齿波。

反向恢复时间trr的定义是:电流通过零点由正向转换成反向,再从反向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频整流及续流器件的重要技术指标。反向恢复时间愈短,高频开关特性愈好。肖特基二极管(SBD)是以金、银、钼、铂等贵金属为正极(阳极),以N型半导体材料为负极(阴极),利用二者接触而上形成的势垒具有整流特性而制成的金属2半导体器件。由于它不存在电荷储存问题,故trr值可小于10ns。快恢复二极管(FRD)采用P2I2N硅片制成,因基区很薄,反向恢复电荷很小,不仅大大减小了trr值,还降低了瞬态压降,使管子能承受很高的反向电压,其trr≈400ns。超快恢复二极管(SRD)的trr≈35ns。

参　考　文　献

1　沙占友,庞志锋1新型特种集成电源及应用1北京:人民

实取∆=1.0mm,每边各留出015mm的气隙。317　开关功率管的选择

前已述及,开关功率管应能承受630V以上的高压。为安全起见,应采用耐压1000V的VMOS管。现选用美国国际整流器公司(IR)生产的IRFPG40,其漏2源极可承受最高电压VDSM=1000V,最大漏极电流IDM=4.3A,最大功耗PDM=150W,完全可满足要求。但在使用时必须加合适的散热器。

318　自馈线圈与次级线圈中的整流管选择自馈线圈回路中可选FR309型快恢复二极管,其耐压值为1000V,额定整流电流为3A。次级线圈回路宜选用肖特基二极管,它属于高频、大电流、低功耗器件,其正向导通压降还不到快恢复二极管VF值的一半。D80-004型肖特基二极管的主要参数如下:平均整流电流I0=15A,最大正向压降VF=0.4V,反向恢复时间trr<10ns,反向峰值电压VR=40V。

4　设计注意事项

UC3842的同类产品还有UC1842(军品)、

邮电出版社,1998

2　沙占友,睢丙东,刘　勇,等13∀󰃄位数字电压表实验仪及其

应用1河北机电学院学报,1996,13(2):7～11

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