高功率因數(shù)反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

1、基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (60671024 定稿日期 :2009-08-28作者簡(jiǎn)介 :李振森 (1983- , 男 , 河南項(xiàng)城人 , 碩士研究生 , 研究方向?yàn)樾滦碗娮悠骷c應(yīng)用 、 LED 驅(qū)動(dòng) 。1引 言 由于中小功率開關(guān)電源 、 便攜式 AC/DC適配 器 、 離線式充電器具有很好的市場(chǎng)前景 , 因此高功率 因數(shù) (PF 反激式拓?fù)涑蔀槟壳把芯颗c應(yīng)用的熱點(diǎn) 。 它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 PF 高 、 成本低 、 容易得到多路輸出 , 是 低成本大功率 LED 驅(qū)動(dòng)電源的較好選擇 。 關(guān)于兩級(jí)PFC 反激式電源變壓器應(yīng)用設(shè)計(jì)的論文較多 , 而關(guān) 于高 PF 反激式變壓器設(shè)計(jì)的論文很

2、少 1。 為了設(shè)計(jì) 出高效率 、 低 EMI 、 低溫升的變壓器 , 文中給出一種設(shè)計(jì)方法 , 并根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了一種寬電壓范圍 (AC88264V 、 輸出 15V/2A 的變壓器 。2高 PF 反激式變壓器概述高 PF 反激式變壓器是開關(guān)電源一個(gè)非常重要 的器件 , 它不是真正意義上的變壓器 , 而是一個(gè)能量 存儲(chǔ)裝置 。 在變壓器的初級(jí)繞組導(dǎo)通期間 , 能量存儲(chǔ) 在磁芯的氣隙中 , 關(guān)斷期間存儲(chǔ)的能量被傳送給次 級(jí)輸出 , 具體過程如圖 1所示 。 初 、 次級(jí)電流不是同 時(shí)流動(dòng)的 , 因此該變壓器更多地被認(rèn)為是一個(gè)帶有 次級(jí)繞組的電感 , 但與電感的不同之處在于 :電感電 流是平滑波動(dòng)

3、的 , 可視為直流 。 變壓器每個(gè)繞組的電 流都是三角波 , 由于工作范圍較寬 , 因此變壓器要工 作在臨界模式 2。 集膚效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很大的交流電阻損 耗 , 通常不會(huì)影響鐵損 , 但變壓器比電感的銅損大 。高 PF 反激式變壓器與兩級(jí) PFC 的不同之處在于 :單 級(jí)結(jié)構(gòu)上為同時(shí)實(shí)現(xiàn) PF , 導(dǎo)致初 、 次級(jí)電壓電流變化 更大 , 如圖 2所示 。 高 PF 反激式拓?fù)鋵?duì)于 70W 內(nèi)的 電源是實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的 , 但當(dāng)電源大于 70W 時(shí) , 由于 著重降低電源的電壓和電流 , 器件要承受更大的電 壓 、 電流應(yīng)力 , 因此采用其他拓?fù)鋾?huì)更有效 。3變壓器的設(shè)計(jì)變壓器的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程

4、, 若設(shè)計(jì)合理 ,電源效率會(huì)較高 , 且控制環(huán)路容易穩(wěn)定 。 該設(shè)計(jì)步驟 主要包括 :選擇磁芯材料 、 幾何形狀 ; 確定最大的磁 通密度 ; 確定磁芯型號(hào) ; 確定初 、 次級(jí)線圈的匝數(shù)比 和銅線的規(guī)格 。 要得到理想的電感 , 還需要計(jì)算氣 隙 ; 最大限度的磁耦合和最小的高頻寄生效應(yīng) 。 另 外 , 還需考慮變壓器的裝配和安全要求 。提 前 設(shè) 定 的 規(guī) 格 參 數(shù) :電 源 電 壓 范 圍 u acmin u acmax ; 市 電 工 頻 f l ; 電 源 輸 出 電 壓 u o ; 最 大 輸 出 電 流高功率因數(shù)反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)李振森 , 徐軍明 , 丁紅斌 , 武

5、利珍(杭州電子科技大學(xué) , 江蘇 杭州310037摘要 :變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源中關(guān)鍵的步驟 。 對(duì)帶有高功率因數(shù) (PF 反激式開關(guān)電源的變壓器原理進(jìn)行了論述 , 在探討變壓器的設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上 , 提出一種良好的設(shè)計(jì)方法 , 并通過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)原理 。 所設(shè)計(jì)的變壓器具有效 率高 、 電磁干擾低 、 漏感低 、 溫升低的特點(diǎn) 。 關(guān)鍵詞 :反激式開關(guān)電源 ; 功率因數(shù) ; 變壓器設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào) :TM402文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1000-100X (2010 02-0083-03Design of High Power Factor Flyback Switching Power

6、Supply TransformerLI Zhen -sen , XU Jun -ming , DING Hong -bin , WU Li -zhen(Hangzhou Dianzi University , Hangzhou 310037, China Abstract :Transformer design of switching power supply is complex and critical.The transformer principles of the flyback switching power supply with high power factor (PF

7、is discussed.Based on this , a new good design method is introduced and the results are proved by experiment.The transformer has high transmission efficiency , low EMI , low leakage , low tempera -ture rise.Keywords :flyback switching power supply ; power factor ; transformer designFoundation Projec

8、t :Supported by National Natural Science Foundation of China (No.60671024第 44卷第 2期 2010年 2月電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.44, No.2February , 2010I omax ; 2f l 最大輸出紋波 U o 。 預(yù)設(shè)計(jì)參數(shù) :最低工頻率 f swmin ; 反射電壓 u R ; 漏感過壓 u ; 預(yù)期效率 。 3.1初步計(jì)算的參數(shù)最小峰值電壓與反射電壓的比值為 :K umin =u R =u R(1兩個(gè)特殊函數(shù)為 :F 1(K u =-31+0.815K uF 2(K u

9、 =0.637+4.6×10-3K u u 姨 姨 姨 姨 姨(2初 、 次級(jí)電流峰值分別為 :I pkp =U pkmin F 1(K u ,I pks =K u F 1(K u (3初 、 次級(jí)匝數(shù)比和最大占空比 :n =u R o f , D max =u RR pkmin ds(4初 、 次級(jí)電流有效值 :I RMSp =I pkp 1u 姨 , I RMSs =I pks u 2u 姨 (5 3.2參數(shù)的確定高 PF 反激式電源變壓器最重要的是初級(jí)電感的 計(jì)算 , 當(dāng)開關(guān)頻率 f sw 取最小值時(shí) , 最大初級(jí)電感為 :L p =U f swmin I pkp (1+K u

10、min (6 確定磁芯需要的前提條件 : 設(shè)定磁芯材料是 典型的功率鐵氧體 TDK PC40, 飽和磁通超過 0.35T ; 繞組與窗口的比值為 0.4, 要留足隔離層的空間 , 爬電距離 、 余隙 ; 初級(jí)繞組和次級(jí)的導(dǎo)線要與流過 的平均有效電流成比例 ; 在無散熱器的情況下 , 磁 損和銅損會(huì)導(dǎo)致溫度上升 30 ; 由于頻率是變化 的 , 因此忽略集膚效應(yīng)和近鄰效應(yīng) 。變壓器磁芯的窗口面積與有效磁截面之積 AP 計(jì)算公式為 :AP min1=460P inf swmin (1+K u 2(u 姨 姨 1.316(7AP min2=480Pfswmin(1+K u2u姨 姨 1.585

11、83;J H (K u f swmin +J E (K u f 2swmin 姨 姨0.66(8式中 :J H (K u , J E (K u 為與磁滯損耗和渦流損耗相關(guān)的函數(shù) 3。設(shè)計(jì)時(shí)取較大值 , 一般 AP min1較大 , 所以所選磁 芯的 AP >AP min1。初 、 次級(jí)匝數(shù)分別為 :N p =U pkmin D max swmin e max,N s =N p(9式中 :A e 為磁芯截面積 ; B max 為最大的磁通密度 。輔助繞組為 :N A =N s (u A +Udf o f(10式中 :U df 為 MOS 管及檢測(cè)電阻 R s 的壓降 ; V f 為 輸 出

12、 整 流 管導(dǎo)通壓降 。不考慮邊沿磁通和磁芯磁阻 , 則變壓器的氣隙 長(zhǎng)度為 :l g =-72L p -A L(11式中 :A L 為無氣隙時(shí)電感系數(shù) , A L =L p /N p 2。導(dǎo)線流過的電流密度 J 通常 48A/mm2, 按照I RMS =J d 2/4可算出所需導(dǎo)線直徑 , 高 PF 反激式電源P in 70W , 電流較小 , 初級(jí)采用單股漆包線 , 繞線方便 , 繞組緊湊 。 次級(jí)由于電流峰值較大和集膚效應(yīng) , 虛采用多股線 。 導(dǎo)線載流能力和集膚深度的具體計(jì) 算見參考文獻(xiàn) 4, 可以先求得所需的導(dǎo)線的直徑 d 1, 確定多股線每股的線徑 d 2, 再按照 n 1=d 1

13、2/d 22確定股數(shù) , 依據(jù) n 1選擇多股線 。4變壓器的制作設(shè)計(jì)變壓器的設(shè)計(jì)包括絕緣 、 安全 、 低噪聲設(shè)計(jì) 。 變壓器采用邊沿空隙法使其安全要求 、 漏電和電氣強(qiáng) 度滿足 UL 認(rèn)證 。 要求 56mm 的漏電距離 , 因此在 邊沿應(yīng)用中初 、 次級(jí)間通常留有 2.53mm 的空間 。磁芯的選擇規(guī)則是 :可利用的繞組寬度 , 至少是 所需爬電距離的 2倍 , 以維持良好的耦合并使漏感減 到最小 , 初級(jí)繞組是變壓器繞組結(jié)構(gòu)中第一個(gè)繞組 。 這樣就可以通過其他繞組使最大電壓擺動(dòng)點(diǎn)得到保 護(hù) , 進(jìn)而使能耦合到印制板上其他元件的電磁干擾最 小 。 若初級(jí)繞組多于一層 , 在兩層之間應(yīng)放置

14、一個(gè)基 本的絕緣層 , 可以減少兩層之間可能出現(xiàn)的擊穿現(xiàn) 象 , 也能減小兩層之間電容 。 另一絕緣層放在初級(jí)繞 組上面 , 輔助繞組在此絕緣層之上 。 在輔助繞組上放 置 3層聚酯絕緣膠帶以滿足初 、 次繞組的絕緣要求 。 輔助繞組上放置另一邊沿空隙 , 次級(jí)繞組在其之間 , 所以在初 、 次繞組間就有 6mm 的有效爬電距離和完 全電壓絕緣 。 最后在次級(jí)繞組上纏 3層聚酯絕緣膠帶 (最高耐壓 3kV , 以緊固次級(jí)和保證絕緣 。變壓器的繞組首尾都有壁厚 0.41mm 的絕緣護(hù) 套 ; 還要使用浸漆鎖定繞組和磁空間 , 從而防止噪 聲 、 濕氣 、 鹽霧進(jìn)入變壓器 , 有助于提高耐壓能力和

15、 熱傳導(dǎo)性能 , 降低變壓器的噪聲 ; 采用可以減少繞組間電容的 Z 型繞線方式 。變壓器的結(jié)構(gòu)對(duì)初級(jí)繞組的漏感 有 很 大 的 影 響 。 漏感會(huì)導(dǎo)致 MOSFET 關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓 。 變 壓器繞組的頂部互相之間應(yīng)同軸 , 以便使耦合最強(qiáng) , 減小漏感 。 將初級(jí)繞組分開繞制也可減小漏感 , 分開的初級(jí)繞組是最里面第一層繞組 , 第二層繞在外邊 。5設(shè)計(jì)實(shí)例及結(jié)果分析該設(shè)計(jì)基于 l6561及 lm358設(shè)計(jì)的高 PF 反激 式 30W 恒流限壓 15V/2A LED 驅(qū)動(dòng)電源 , 具體條件 、 參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)果表 1所示 。 該表格根據(jù)上述步驟 進(jìn)行建立 , 可以方便計(jì)算并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整

16、改動(dòng) , 實(shí)際制作的變壓器與計(jì)算值略有不同 。(上接第57頁(yè) 用硅鋼電感率范圍內(nèi)噪聲輕微 , 溫升情 況良好 , 傳導(dǎo)干擾性能指標(biāo)滿意 , 使用高感值升壓電 感有利于溫升設(shè)計(jì) 5。 輸入交流電壓 220V 、 輸入電流 有效值 33.23A 、 電網(wǎng)頻率 50Hz 時(shí) u in 與 i in 的波形如 圖 4a 所示 ; 輸入交流電壓 220V 、 輸入電流有效值3.345A 、 電網(wǎng)頻率 60Hz 時(shí) u in 與 i in 波形如圖 4b 所示 。5結(jié) 論隨著電子 、 電氣產(chǎn)品向開關(guān)化 、 高頻化與集成化 趨勢(shì)的發(fā)展 , 對(duì) PFC 的要求越來越高 , 高性能和低 成本已成為 PFC 的發(fā)

17、展方向 。 提出了關(guān)于 PFC 的新 型控制技術(shù) , 它無需進(jìn)行輸入電壓的檢測(cè) , 且具有體 積較小 、 損耗低 、 效率高 、 校正效果良好 、 輸出電壓紋 波小 、 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 、 便于數(shù)字實(shí)現(xiàn) , 同時(shí)仍然保持高功率因數(shù)及支持大功率輸出的性能 , 因此新型 PFC 符 合市場(chǎng)的需要 , 具有較好的應(yīng)用前景 , 目前已經(jīng)裝配 到 75柜機(jī) 、 150柜機(jī)等變頻空調(diào)電控設(shè)計(jì)中 。參考文獻(xiàn)1IEC 61000-3-2:1995, Electromagnetic Compatibility Part3:Limits -set.2:Limits for Harmonic Current Emissi

18、on (Equip -ment Input Current 16A Per Phase S.1995.2IEC 61000-3-12:2005, Electromagnetic Compatibility (EMC Part3-2:Limits -limits for Harmonic Currents produced by E -quipment Connected to Public Low -voltage Systems with In -put Current>16Aand 75A Per Phase.S.2005.3Praveen Jain , Jim Valerio ,

19、Pankaj Jain.A Review of Single Phase Power Factor Correction Circuits for Telecommuni -cation ApplicationsJ.1994:334-338. 4Chongming Qiao , Keyue Ma Smedley.A Topology Survey of Single -stage Power Factor Corrector with a Boost Type In -put -current -shaperJ.IEEETrans. on Power Electronics , 2001, 1

20、6(3:360-368. 5家用和類似用途電動(dòng) 、 電熱器具 、 電動(dòng)根據(jù) 以 及 類 似 電 氣無線電干擾特性測(cè)量方法和允許值 S.中華人民共和 國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) , GB4343-1995.圖 4輸入電流有效值和電網(wǎng)頻率不同時(shí) u in 和 i in 的波形序號(hào) 15161718192021參數(shù) I pks /An u ds /VJ /A/mm20.6753.79序號(hào) 891011121314參數(shù) u R /Vu acmax /VK u F 1(K u F 2(K u I pkp /A數(shù)值序號(hào) 1234567參數(shù) u acmin /Vu acmax /Vf 1/Hzu o /Vi o /A u o /Vf swmin /kHz數(shù)值 88264501521251.315115序號(hào) 34353637參數(shù) d 2/mmd 1/mmn 1/股 U pkmin /V數(shù)值119.2表 1變