深入學(xué)習(xí)高頻脈沖變壓器的設(shè)計(jì)

1、深入學(xué)習(xí)高頻脈沖變壓器的設(shè)計(jì)但凡真正的KC人，都有不同程度的偏執(zhí)，對(duì)一個(gè)問題不摸到根源絕不罷手一ehco脈沖變壓器屬于高頻變壓器的范疇，與普通高頻變壓器工況有別。脈沖變壓器要求輸出波形能嚴(yán)格還原輸入波形，前后沿陡峭，平頂斜降小。在眾多的制作實(shí)踐中，隨處可見脈沖變壓器的身影。例如DRSST呼的全橋驅(qū)動(dòng)GDTGateDrivingTransformers門極驅(qū)動(dòng)變壓器），感應(yīng)加熱電路中的GD瑤等，相信KCer對(duì)其功能和重要性都有一定了解。但談到如何具體設(shè)計(jì)一個(gè)符合規(guī)格的脈沖變壓器，相信也還有不少人停留在簡單的匝比計(jì)算或是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)層面，沒有深入地研究。每每遇到磁芯的選擇，匝數(shù)、線材的確定時(shí)，都無從下

2、手。本文針對(duì)這些問題，在高壓版black、ry7740kptv、山貓等大神的鼓舞下，將本人的學(xué)習(xí)心得形成圖文與大家分享，旨在拋磚引玉。因本人水平有限，如若存在錯(cuò)漏，望斧正為謝。下面從一個(gè)簡易的GDTW動(dòng)電路說起上圖中，T1為脈沖變壓器，當(dāng)初級(jí)（左側(cè)）為上正下負(fù)時(shí)，右側(cè)輸出上正下負(fù)信號(hào)，該信號(hào)通過D&D4C23RG乂&IGBT的Cge充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到VGe（on時(shí)IGBT的C、E開通，并且C23充電，C23的充電電壓被D5鉗制在8V。當(dāng)T1輸入為上負(fù)下正時(shí)，D3反向截止，T1的輸出被阻斷。在R15偏置電阻提供的偏流下，C23存儲(chǔ)的電壓構(gòu)成反偏，迅速抽干Cge存儲(chǔ)的電荷，使IG

3、BT快速關(guān)斷。那么，根據(jù)實(shí)測(cè)值或相關(guān)廠商數(shù)據(jù)，有以下已知數(shù)據(jù)。1、IGBT型號(hào)：IKW50N60T2、開關(guān)頻率fs：50KHz3、柵極正偏電壓+VGe：+15V4、柵極反偏電壓-Vge-8V5、脈沖變壓器初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)電壓：+24V6、單個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電壓占空比D:0.467、柵極電阻FG:10Q8、IGBT管內(nèi)柵極電阻R:0Q9、三極管飽和壓降：Vces=0.3V10、二極管壓降：Vd=0.55V11、GD微率4：90%一、計(jì)算IGBT驅(qū)動(dòng)所需的峰值電流IgpkIgp=(+VGe-(-Vge)/Rg+R=23/5.1=2.3A、計(jì)算次級(jí)電流有效值IsrmsIsrms=IgpkDa0.5=2.3義

4、0.68=1.56A三、計(jì)算次級(jí)單個(gè)繞組輸出功率PsPS=V|srms=(+VGe+VD升(FG+R)Isrms)Isrms=(+15+0.5+(10+0)X1.56)X1.56=48.5W四、計(jì)算初級(jí)輸入功率Pi,因?yàn)樵撾娐分校粋€(gè)變壓器含2個(gè)相同的輸出繞組，所以Pi=2Ps/q=2X48.5/0.9=107.8W五、計(jì)算脈沖變壓器初、次級(jí)總功率Pr。(注意，根據(jù)變壓器功率守恒，總功率等于輸入功率等于輸出功率，但這里計(jì)算總功率是為了計(jì)算線圈占據(jù)的空間或窗口面積使用，不要混淆了)R=2Ps+Pi=2X48.5+107.8=203.8W六、計(jì)算GDM用磁芯尺寸磁芯尺寸用Ap來表示，Ap=AA,其

5、中Aw為磁芯窗口面積，Ae為磁芯有效截面積。根據(jù)磁芯選擇的條件，該電路使用PC4際鋅軟磁鐵氧體材質(zhì)的G型磁罐，以提高脈沖響應(yīng)帶寬，減少磁泄露。各種磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)如卜表：鐵芯種類耗損KjC允許溫JI25V)Kj(允許涉n50。XKsKwKv一般罐形配找)磁芯Pcu=Pf亡433632-0.1733.84814.5鐵粉磁芯P>pfe403590f.1232.558,813,1C型鐵芯Poa=P上323468H).1439.266.617.9單線圈PcU>PtC395569-0.1444.576.625.6金屬疊片磁芯pfli55%3665344L368.219.7帶繞鐵芯Pa=25D36

6、5-0,1350,9阻3251帶繞鐵芯雄形鐵芯AP=(FfTX104)FKoKfFsBwKj式中：AP為Aw和A七兩面積乘ten/)；PT一變壓器視在功率(w):Bw工作磁通密度(T)：Fs開關(guān)工作頻率(Hz)：Ko窗口使用宗數(shù)，一般取04Kf波形系數(shù)，方波Kf=4.0,正弦波KfT.44Kj電流密度比例系數(shù)；X結(jié)構(gòu)常數(shù)如上表，允許溫升為25c時(shí)，磁罐的電流密度系數(shù)Kj=433,結(jié)構(gòu)常數(shù)X=-0.17。對(duì)于PC40材質(zhì),查得飽和磁通密度為BmsaW560mT=0.52T當(dāng)f<50kHz時(shí)，Bmax=0.5Bmsat當(dāng)f<100kHz時(shí)，Bmax=0.4Bmsat當(dāng)f<500k

7、Hz時(shí)，Bmax=0.25Bmsat當(dāng)f<1MHz時(shí)，Bmax=0.1Bmsat那么本電路中設(shè)計(jì)工作頻率為50KHz而且磁芯為單象限工作，所以取工作磁通密度Bw=Bmax=0.4Bmsat=0.4<0.52T=0.208T根據(jù)磁芯尺寸計(jì)算公式A=(FTX10A4/K°KfsBK)A(1/1+X)得出Ap=0.217cM,那么，只要所選的磁芯Aw與Ae的乘積低于Ap0.217cm4即可。下面來看磁芯選型表，下表是P型磁罐的參數(shù)(找不到G型的，P型類似)，對(duì)于EE,EI,磁環(huán)等磁芯的選型見附表。TYPEOTERIALDinensianis,(kb.)ApJieAwAlLeTe

8、¥tA*B*C(c.1)(BM1j(T)(nH/n3)(M)Cus)(E)Pl4/83CB614.05*4.15*9.4比0374IT.0022.001750.0022.6049E.DO2.50P10/113CB618*E.3+IL940.106737.2028.672400.0028.701070.006.00P23/113C8622,9*6.6*15.2(LI84657.2032,283560.003LBQ1810.00見00P23/183C6&22.9*94120.361Q58,30日1.02同oauu皈1。PW19X6530*4*20.20t83S4111.0075.

9、8641moo5Q+205570.0030.00P鑼從上表參數(shù)計(jì)算得出，P23/18磁罐的Ap=0.36cm4,P23/18的Ap為0.18cm4,因此選用與P23/18尺寸接近的G22/13磁芯。七、計(jì)算初級(jí)繞組匝數(shù)NpNp=VinX10A4/4BwfsA=24X10E4/(4X0.21X50X10八3X0.58)=9.85T為避免低頻時(shí)飽和，取Np=15T八、計(jì)算次級(jí)繞組匝數(shù)NsNs=(+VGHW+FGIsrms)N(Vn-Vces)注：這里的Vces為初級(jí)驅(qū)動(dòng)圖騰三極管的飽和壓降,如果采用MOJ®騰，則為0.Ns=(15+0.55+10X1.56)X12/(24-0)=19.5

10、T此處取20T九、計(jì)算脈沖變壓器初級(jí)電流有效值IprmsIprms=(Ns/Np)Isrms=(20/15)X1.56=2.08A十、計(jì)算電流密度Jj=KAx=433X0.58-°.17=475A/cnf2取J=4.5A/mm十一、計(jì)算脈沖變壓器初級(jí)、次級(jí)繞組線徑dp、ds及截面積SpSsdp=1.13(Iprms/J)0.5=0.77mm22Sp=0.785dp=0.465mmds=1.13(Isrms/J)0.5=0.67mm22Ss=0.785dp=0.352mm十二、線材的選擇為減小高頻電流趨膚效應(yīng)對(duì)銅芯有效截面積的損耗，這里選用滌綸外層包裹的0.1mm多股漆包線繞制，單芯截

11、面積為0.00785mm,那么初級(jí)線圈應(yīng)選用(0.465/0.00785)=59股，這里取60股的絞合線；次級(jí)線圈應(yīng)選用(0.352/0.00785)=44.8股，這里取40或50股的絞合線。至此，一個(gè)符合規(guī)格的GDTE設(shè)計(jì)完成最后，再談一談脈沖變壓器容易出現(xiàn)的一些問題。一是邊沿振鈴，這個(gè)現(xiàn)象主要是因?yàn)樽儔浩骼@制工藝造成的漏感，以及PCB線的等效電感與容性負(fù)載發(fā)生高頻高頻阻尼諧振而產(chǎn)生；二是邊沿過沖，主要是由于變壓器漏感在快速關(guān)斷的情況下，電流不連續(xù)導(dǎo)致的瞬間自感高壓。因此對(duì)于脈沖變壓器應(yīng)該盡量減小漏感的存在，可以采取以下幾種方法。一、采用高磁導(dǎo)率的磁芯，例如鉆鋅鐵氧體，鍥鋅鐵氧體(1M以上適用)，磁導(dǎo)率越高，匝數(shù)恒定的情況下，可以獲得更高的勵(lì)磁電感Lm能有效減小信號(hào)的平頂斜降；二、采用磁路閉合程度高的磁芯結(jié)構(gòu)，例如G型磁罐、磁環(huán)等，磁路閉合好，不僅可以屏蔽自身對(duì)外界的干擾和外界對(duì)自身的干擾，還能有效地減小漏感，從而減小過沖和振鈴。三、初、次級(jí)線圈應(yīng)并繞，盡量減小分布電容四、脈沖變壓器的輸出引線應(yīng)盡量縮短，一般少于10mm而且同一繞組的兩根輸出引線應(yīng)該盡量靠近或雙絞引出磁芯。五、連接脈沖變壓器的PCBt線應(yīng)盡量短，PCBt線不