【原创】1200W双管正激变换器设计之一——变压器设计

正激变换器通常使用无气隙的磁芯，电感值较高，初次级绕组峰值电流较小，因而铜损较小，开关管峰值电流较低，开关损耗较小，其高可靠高稳定性使得其在很多领域和苛刻环境得到应用.

下面举例给大家分享下对正激变换器的设计方法：

规格：

输入电压Vin=400V（一般在输入端会有CCM APFC将输入电压升压在稳定的DC400V左右）

输出电压Vout=12V

输出功率Pout=1200W

效率η=85%

开关频率Fs=68KHz

最大占空比Dmax=0.35

第一，

第一，选择磁芯的材质

选择高μ低损，高Bs材质，一般常采用TDK PC40或同等材，其相关参数如下：

因为正激电路的磁芯单向磁化，要让磁芯不饱和，磁芯中的磁通密度最大变化量需满足ΔB得ΔB=390-55=335mT,但实际应用中由于温度效应和瞬变情况会引起Bs和Bs的变化，导致ΔB的动态范围变小而出现饱和，因此，设计时需保留一定裕量，通常取60%~80%（Bs-Br）, ΔBc选得过高磁芯损耗会增加，易饱和，选得过小会使匝数增加，铜损增大，产品体积增大，通常选择60%（Bs-Br），则最大磁通变化量ΔB=（390-55）*0.6=201mT,即0.201T

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javike

2011-10-20 09:53

第二，确定磁芯规格

根据公式AP=Aw*Ae=(Ps*10⁴)/(2ΔB*Fs*J*Ku)

其中:

Aw为磁芯的铜窗口截面积（cm²），Ae为磁芯的有效截面积（cm²），Ps为变压器的视在功率（W），J为电流密度（A），Ku为铜窗口占用系数

对正激变换器，视在功率Ps=Pout/η+Pout

电流密度J根据不同的散热方式取值不同，一般采用300~600A/cm²,此处考虑到趋肤效应采用多股纱包线，取600A/cm²

铜窗口占用系数Ku取0.2

ΔB=0.20T，J=600A/cm²,Ku=0.2

代入公式得AP=[(1200/0.85+1200)*10⁴]/(2*0.201*68*10³*600*0.2)=7.962cm⁴

查磁芯规格书，选用磁芯ETD49,其相关参数如下：

javike

2011-10-20 09:54

@javike

第二，确定磁芯规格根据公式AP=Aw*Ae=(Ps*104)/(2ΔB*Fs*J*Ku)其中:Aw为磁芯的铜窗口截面积（cm2），Ae为磁芯的有效截面积（cm2），Ps为变压器的视在功率（W），J为电流密度（A），Ku为铜窗口占用系数对正激变换器，视在功率Ps=Pout/η+Pout电流密度J根据不同的散热方式取值不同，一般采用300~600A/cm2,此处考虑到趋肤效应采用多股纱包线，取600A/cm2铜窗口占用系数Ku取0.2ΔB=0.20T，J=600A/cm2,Ku=0.2代入公式得AP=[(1200/0.85+1200)*104]/(2*0.201*68*103*600*0.2)=7.962cm4查磁芯规格书，选用磁芯ETD49,其相关参数如下：[图片]

ETD49的AP=Aw*Ae=375*213=79875mm⁴=7.9875cm⁴<7.962cm⁴,即,OK。

javike

2011-10-20 09:55

@javike

ETD49的AP=Aw*Ae=375*213=79875mm4=7.9875cm4

第三，计算匝比、匝数

1. 根据公式N=Np/Ns=Vin/Vout=(Vin*Dmax)/(Vo+Vf)

其中Vf为输出二极管正向压降，取0.8V

得匝比N=（400*0.35）/(12+0.8)=10.9375,

取匝比N=11验算最大占空比Dmax，

最大占空比Dmax=N(Vout+Vf)/Vin=11*(12+0.8)/400=0.352

2. 根据公式Np=Vin*Ton/(ΔB*Ae)

导通时间Ton=Dmax*Ts,周期Ts=1/Fs*10⁶

得初级匝数NP=[Vin*Dmax*(1/Fs*10⁶)]/(ΔB*Ae)={400*0.352*[1/(68*10³)*10⁶]}/(0.201*213)=48.36Ts,取49Ts

3. 次级匝数Ns=Np/N=49/11=4.45Ts

4. 取次级匝数Ns=5Ts验算初级匝数Np,

初级匝数Np=Ns*N=5*11=55Ts

考虑到输入电压较高，采用双管正激比采用单管正激可以大幅减小MOS的电压应力，无需消磁绕组。

7. 再通过初级匝数Np来验算最大磁通变化量ΔB，

最大磁通变化量ΔB=（Vin*Dmax*Ts）/(Np*Ae)={400*0.352*[1/(68*10³)*10⁶]}/(55*213)=0.1767T

根据ΔB+Br得 0.1767+0.055=0.2317<0.39, OK

8. 根据L=N²*Al得，

初级电感量最小值Lmin=Np²*[AL*(1-0.25)]=55²*[4440*(1-0.25)]/10⁶=10.0mH

javike

2011-10-20 09:55

@javike

第三，计算匝比、匝数1.根据公式N=Np/Ns=Vin/Vout=(Vin*Dmax)/(Vo+Vf)其中Vf为输出二极管正向压降，取0.8V得匝比N=（400*0.35）/(12+0.8)=10.9375,取匝比N=11验算最大占空比Dmax，最大占空比Dmax=N(Vout+Vf)/Vin=11*(12+0.8)/400=0.3522.根据公式Np=Vin*Ton/(ΔB*Ae)导通时间Ton=Dmax*Ts,周期Ts=1/Fs*106得初级匝数NP=[Vin*Dmax*(1/Fs*106)]/(ΔB*Ae)={400*0.352*[1/(68*103)*106]}/(0.201*213)=48.36Ts,取49Ts3.次级匝数Ns=Np/N=49/11=4.45Ts4.取次级匝数Ns=5Ts验算初级匝数Np,初级匝数Np=Ns*N=5*11=55Ts考虑到输入电压较高，采用双管正激比采用单管正激可以大幅减小MOS的电压应力，无需消磁绕组。7.再通过初级匝数Np来验算最大磁通变化量ΔB，最大磁通变化量ΔB=（Vin*Dmax*Ts）/(Np*Ae)={400*0.352*[1/(68*103)*106]}/(55*213)=0.1767T根据ΔB+Br

第四，计算各绕组线径

1. 输入电流Ip=Pout/(Vin*Dmax*η)=1200/(400*0.352*0.85)=10.0A

初级线圈电流有效值Ip_rms=Ip*SQRT(Dmax)=10.0*SQRT(0.352)=5.9A

则，初级线圈截面积Swp=Ip_rms/J=5.9/600=0.0098cm²=0.98mm²

多股纱包线单根直径为0.1mm，其单根面积为Sw=3.14*(0.1/2）²=0.00785mm²

得,初级所需纱包线股数Nwp=Swp/Sw=0.98/0.00785=124.8PCS,约125PCS。

即，初级线圈采用125根单根直径0.1mm的纱包线。

2. 次级线圈电流有效值Is_rms=Iout*SQRT(Dmax)=100*SQRT(0.352)=59.3A

次级线圈截面积Sws=Is_rms/J=59.3/600=0.0988cm²=9.88mm²

次级所需纱包线股数Nws=Sws/Sw=9.88/0.00785=1258.6PCS,约1260PCS。

即，次级线圈采用1260根单根直径0.1mm的纱包线。

通常纱包线的电流密度可取范围较大，一般为400~1200A/CM²,结合常用规格，取：

初级线圈采用120根单根直径0.1mm的纱包线绕55Ts；

次级线圈采用1200根单根直径0.1mm的纱包线绕5Ts。

xjj850205

LV.5

2011-10-20 09:58

@javike

第四，计算各绕组线径1.输入电流Ip=Pout/(Vin*Dmax*η)=1200/(400*0.352*0.85)=10.0A初级线圈电流有效值Ip_rms=Ip*SQRT(Dmax)=10.0*SQRT(0.352)=5.9A则，初级线圈截面积Swp=Ip_rms/J=5.9/600=0.0098cm2=0.98mm2多股纱包线单根直径为0.1mm，其单根面积为Sw=3.14*(0.1/2）2=0.00785mm2得,初级所需纱包线股数Nwp=Swp/Sw=0.98/0.00785=124.8PCS,约125PCS。即，初级线圈采用125根单根直径0.1mm的纱包线。2.次级线圈电流有效值Is_rms=Iout*SQRT(Dmax)=100*SQRT(0.352)=59.3A次级线圈截面积Sws=Is_rms/J=59.3/600=0.0988cm2=9.88mm2次级所需纱包线股数Nws=Sws/Sw=9.88/0.00785=1258.6PCS,约1260PCS。即，次级线圈采用1260根单根直径0.1mm的纱包线。通常纱包线的电流密度可取范围较大，一般为400~1200A/CM2,结合常用规格，取：初级线圈采用120根单根直径0.1mm的纱包线绕55Ts；次级线圈采用1200根单根直径0.1mm的纱包线绕5Ts。

好东西，很详细！