600W雙管正激變換器中高頻變壓器的設計方案

　　1、 引言

　　在高頻開關變換器中磁性元件的應用非常廣泛，主要有變壓器和電感器兩大類：當變壓器用時，可起電氣隔離、升降壓及磁耦合傳遞能量等作用；當電感器用時，起到儲存能量、平波與濾波等功能。并且其性能的好壞對變換器的性能產生重要影響，特別對整個裝置的效率、體積及重量起舉足輕重的作用。因此，磁性元件的設計是高頻開關變換器設計中的重要環節。

　　高頻開關變換器中的磁性元件設計，通常是根據鐵芯的工作狀態，合理選用鐵芯材料，正確設計計算磁性元件的鐵芯及繞組參數。但由于磁性元件所涉及的參數太多，其工作狀態不易透徹掌握，因此常規的設計方法不能全面反映其實際工作情況和考慮其它因素的影響，也就很難達到所需的性能指標和滿足設計要求。

　　針對高頻開關變換器中的磁性元件設計的重要性、必要性及其復雜性，筆者采用IntuSOFt公司的 “Magnetics Designer”軟件根據磁性元件的實際工作情況進行計算設計，獲得較理想的效果。本文首先介紹了磁性元件設計中應考慮、注意的一些問題，并針對 600W雙管正激變換器中的高頻變壓器給出了具體的設計方法和設計過程，最后通過仿真加以驗證。

　　2、 磁性元件設計中應考慮的要點

　　2.1 鐵芯瞬態飽和

　　在高頻開關變換器啟動瞬間，由于雙倍磁通效應，其磁性元件的鐵芯可能瞬態達到飽和，從而產生很大的浪涌電流，導致與磁性元件相連的開關器件損壞。因此，為防止鐵芯瞬態飽和，可采用的方法：一是把工作磁感應強度值減小，但這樣會降低鐵芯的利用率；二是增加軟啟動環節，啟動時減小功率管的導通脈沖寬度，然后逐漸增大磁感應強度到穩態值。

　　2.2 繞組的漏感

　　繞組的漏感對高頻開關變換器產生很大的負面效應，影響其正常運行。例如當功率開關關斷時，繞組的漏感儲能釋放，在主開關上產生電壓尖峰，使功率器件電壓應力增大；另外，一臺開關變換器中有多個磁性元件，因而有多個寄生電感，造成嚴重的電磁干擾（EMI）。為減少繞組的漏感，可采取的措施有：一是選擇合適的鐵芯結構和形狀；二是繞組設計成瘦高型，增加繞組高度，減小繞組厚度；三是繞組采用絞合銅線或寬薄銅箔，使銅占因子升高；四是采用分層交叉繞制方法，使繞組耦合緊密。

　　2.3 集膚效應

　　磁性元件在高頻工作時，導線中通過交變電流會產生集膚效應，即導線橫截面上的電流分布不均勻，內部電流密度小，邊緣部分電流密度大，使導線有效橫截面積減小，電阻增大。為使集膚效應的影響減小，導線直徑應不大于兩倍滲透深度。

　　3、 雙管正激變換器中的高頻變壓器設計

　　圖1為組合雙管正激變換器的電路原理圖，M1，M2，D1，D2與副邊拓撲構成1#雙管正激變換器，M3，M4，D3，D4與副邊拓撲構成2#雙管正激變換器。工作時，2#變換器的控制脈沖相對于1#變換器移相了1800，雙路變換器交替工作，向副邊傳輸能量，通過二極管D1，D2或D3，D4向原邊輸入電源回饋能量，實現鐵芯磁復位。

　　圖1 組合雙管正激變換器的電路原理圖

　　下面針對圖1中的高頻變壓器進行具體的分析與設計，電路的參數如下：輸入電壓VCC = 12v，輸出電壓Vo = 120v，輸出電流Io = 5A，開關頻率f = 100K，工作占空比D = 0.45，濾波電感Lf = 50 uH.