一文教你如何从变压器入手提高反激效率

变压器是影响反激式开关电源效率的主要器件之一，包括磁芯损耗和绕组损耗。本篇文章通过分析变压器损耗分布和变压器电气参数对变换器损耗的影响，给出了提高反激电源效率建议及实验案例。

1.磁芯损耗分析

反激变换器的简化分析模型如图1所示：Q1导通时，D1截止，变压器存储能量；Q1截止时，D1导通，变压器释放能量。

图1 反激变换器简化分析模型

图2 反激变压器磁化曲线

反激变压器的磁化曲线如图2所示，可见变压器工作在第一象限，由电磁感应定理可知：

备注：Bm须小于磁芯材料的限制值Bs，防止变压器饱和损坏Q1。

磁芯损耗与材料材质、开关频率fs，交流磁通密度Bac、工作温度等因素有关。变压器设计时，通常查图表获得单位磁芯损耗Pcv(如图3所示)，进而估算整个磁芯损耗：

图3 Pcv特性曲线(TDK PC95磁芯材料)

备注：对于反激变压器，查询Pcv图表时，Bm为Bac的一半。

由 (4)式可知，降低磁芯损耗的常用措施有：

选用单位磁芯损耗Pcv较小的磁芯材料，如PC95；

传输相同功率的情况下，选用Ve较小的磁芯，如增大磁芯Ae值。

2.绕组损耗分析

变压器绕组损耗简化分析模型如图4所示， 通过分段线性化分析可知，反激变压器本质是一个带匝比的电感器，磁化时通过初级绕组储存能量，去磁时通过次级绕组释放能量。

图4 变压器绕组损耗简化分析模型

备注：由于反激变换器工作频率较低(典型值65kHz)，该模型忽略了磁芯气隙、趋肤效应和邻近效应对绕组损耗的影响。

图5 变压器原副边电流波形

变压器原副边电流波形如图5所示，电流有效值为：

绕组Rp、Rs引起的铜损如下：

漏感Ls引起的RCD吸收损耗为：

由 (7)、(8)式可知，降低绕组损耗的常用措施有：

1）减小绕线电阻，如采用大Ae值磁芯以减小绕线匝数；

2）减小绕组电流有效值，如增大电感感量以减小Krp因子；

3）改善变压器耦合系数，减少漏感。

3.变压器电气参数设计

变压器电气参数决定整个反激变换器工作状态： 匝比(Np/Ns)决定了原副边的电压应力；感量Lp 决定了原副边电流有效值及开关频率fs。

随着美国DoE VI和欧洲CoC V5 Tier 2的实施，电源能效设计难度增大。变压器电气参数设计应与芯片控制策略相结合，从传统的worst case单点设计转向多工作点优化设计。

下面分别以PSR(图6)和SSR(图7)举例说明：

图6  PN8370F控制策略

图7  PN8160控制策略

4.实验验证

12V2A电源基于集成690V Smart DMOS的多工作模式次边反馈芯片——PN8160设计，样机如下：

图8 12V2A电源实物图

A.Lp对效率影响

EE19加厚变压器， 其它参数相同，不同变压器感量1.62mH(Lp_A)、1.86mH(Lp_B)，效率对比如下：

图9 Lp对效率影响

实验结果表明：增大电感感量可降低变压器原副边电流有效值，改善低压效率(约0.3%)。

B.变压器结构对效率影响

分别采用顺绕结构TA和三明治结构TB，其它电路参数相同，由于漏感Ls不同，电源效率对比如下：

图10 变压器结构对效率影响

备注：不同变压器结构，分布电容差异较大，影响EMC特性。

实验结果表明降低漏感可明显改善低压效率(约1%)。

5.结束语

针对变压器的磁芯损耗和绕组损耗，可以通过以下改善措施：如采用单位磁芯损耗Pcv较小的磁芯材料、增大磁芯Ae值以减小Ve及绕组电阻。由于变压器决定整个反激变换器的工作状态，文章重点介绍了变压器电气参数设计的新思路：从传统的worst case单点设计转向多工作点优化设计，以应对日益严苛的能效标准。