推挽變壓器的設(shè)計(jì)方法

手機(jī)充電器變壓器設(shè)計(jì)（全橋）

推挽變壓器的設(shè)計(jì)方法相當(dāng)直接。兩個(gè)工作半周期都使用一個(gè)原邊繞組，這使得磁心和繞組有極好的利用率。

為減小磁化電流，需要最大的原邊電感和最小的匝數(shù)。同時(shí)選擇高導(dǎo)磁率材料，并且磁心不用加氣隙（由于磁心氣隙對(duì)飽和的出現(xiàn)有較好的控制作用，如果變壓器中有直流電流成分，有時(shí)可加入一個(gè)小的磁心氣隙）

變壓器設(shè)計(jì)舉例

假設(shè)設(shè)計(jì)的具有鐵氧體磁心的變壓器要滿(mǎn)足以下要求：

輸入電壓90~137或180~264（用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換）

頻率40kHz

輸出功率500W

輸出電壓5V

輸出電流100A

步驟1，選擇磁心尺寸

假設(shè)變壓器和副邊整流電路的初始效率是75%，變壓器要轉(zhuǎn)換的功率將是500／0.75=667W。對(duì)于該功率水平的推挽工作情況，從圖可知，EE55-5521在對(duì)流空氣冷卻條件下的溫升是40°C。因此下面的例子中使用該磁心。

圖平衡推挽工作時(shí)的磁心選擇圖，表示輸出功率是頻率的函數(shù)，以磁心尺寸為參數(shù)

步驟2，選擇優(yōu)化磁通密度

對(duì)于推挽工作，可以使用整個(gè)B／H磁環(huán)（見(jiàn)圖）。大的磁通密度偏移具有較少的原邊匝數(shù)和較低的銅損耗，但磁心損耗增加。

通常假設(shè)，最小的損耗（最大效率）出現(xiàn)在銅損耗和磁心損耗相等的情況，這是選擇工作磁通密度時(shí)常用的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖表示A16鐵氧體磁心材料在匝數(shù)減少時(shí)磁心損耗增加的情況，而峰值磁通密度從25mT增加到200mT（同時(shí)，銅損耗將減小，但在這里沒(méi)有表示出來(lái)）

圖每克A16鐵氧體的磁心損耗是頻率的函數(shù)，以峰值磁通密度為參數(shù)注：圖中曲線畫(huà)的是峰值磁通密度B，磁通密度變化范圍△B是2×B

 圖表示一對(duì)工作于40kHz的A16鐵氧體EE55-55-21磁心，隨著匝數(shù)的變化其磁心損耗、銅損耗和總損耗的變化情況，峰值磁通密增加到了200mT。最小的總損耗產(chǎn)生在70mT附近。（對(duì)于每匝繞組，假設(shè)使用了最佳的磁心窗口面積和導(dǎo)線規(guī)格。）

圖典型開(kāi)關(guān)式變壓器在具有最佳繞制性能時(shí)，一對(duì)A16鐵氧體EE55-55-21磁心的磁心損耗，銅損耗和總損耗。損耗是峰值磁通密度的函數(shù)。注意到當(dāng)變壓器電感（匝數(shù)）為最佳時(shí)出現(xiàn)最小總損耗，此時(shí)磁心損耗是總損耗的44%

在本例中，當(dāng)磁心損耗是總損耗（70mT）的44%時(shí)出現(xiàn)最小損耗（最大效率）?？墒牵钚p耗條件的范圍相對(duì)較寬，峰值磁通密度在50mT~100mT內(nèi)都具有最佳的效率。通常假設(shè)最佳選擇是80mT（銅損耗和磁心損耗相等的地方），此點(diǎn)距最佳點(diǎn)并不太遠(yuǎn)。

對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)都有一個(gè)最佳磁通密度偏移，這取決于工作頻率、磁心損耗、結(jié)構(gòu)和繞組的利用率。

圖表示對(duì)于在正激和推挽應(yīng)用場(chǎng)合使用EE55-5521和其他磁心時(shí)的最佳變壓器設(shè)計(jì)中制造商推薦的峰值和最佳磁通密度。在圖（在40kHx），制造商推薦的峰值磁通密度是100mT，這個(gè)值接近于最佳值，本例中使用這個(gè)較高的值以減少繞組匝數(shù)。

步驟3，計(jì)算原邊電壓（Va）

由于已選擇了接近最佳效率的峰值磁通密度，并且不存在飽和，在此使用的設(shè)計(jì)方法是在最大導(dǎo)通時(shí)間（50%的占空比）和最小輸入電壓條件下計(jì)算原邊匝數(shù)。此時(shí)充電器輸入最小值是90V有效值，倍壓連接時(shí)的直流電壓是

Vcc=Vin×1.3×1.9

式中V=是交流輸入電壓，有效值。

注意：直流電壓和紋波成分的情況在第一部分的第6章中有詳盡的描述。因此，使用倍壓連接，90V輸入時(shí),

Vcc=90×1.3×1.9=222V直流

步驟4，計(jì)算最大導(dǎo)通時(shí)間

如果避免了交叉導(dǎo)通（2個(gè)串聯(lián)晶體管同時(shí)導(dǎo)通），則最大導(dǎo)通時(shí)間不能超過(guò)總周期的50%。因此

（a）25℃和100℃時(shí)N27鐵氧體材料的磁化曲線（經(jīng)西門(mén)子公司許可）

（b）、（c）最佳峰值磁通密度是頻率的函數(shù)，以磁心尺寸為參數(shù)

步驟5，計(jì)算原邊匝數(shù)

導(dǎo)通期間加到變壓器原邊的電壓波形是矩形，可以使用伏秒方法（法拉第定理）來(lái)計(jì)算匝數(shù)。

在推挽變壓器中，兩個(gè)象限的B／H磁環(huán)都要使用，而在穩(wěn)態(tài)平衡條件下，磁通密度偏移在正半周內(nèi)將從一B變化到+B。

應(yīng)該注意圖2。13。4表示的是峰值磁通密度B，但假設(shè)損耗是對(duì)峰峰磁通密度偏移△B（2×B）而言的。對(duì)于最佳效率，選擇的B是100mT。因此，本例中峰峰變化（磁通偏移擺幅）△B=2×B或=200mT

EE5-5-21的磁心面積是354mm2，原邊匝數(shù)由下式計(jì)算

式中，Vcc=最小直流整流電壓；

ton=最大導(dǎo)通時(shí)間，單位是μs

△B=總磁通密度偏移，單位是T

Am=最小磁極面積，單位是mm2。

因此

步驟6，計(jì)算副邊匝數(shù)

橋式變換器工作于全導(dǎo)通角（最大輸出）時(shí)，原邊波形接近方波。同時(shí)，整流輸出接近直流，輸出電壓就是副邊電壓減去整流器、扼流圈和導(dǎo)線上的損耗。

假設(shè)所有這些損耗為1V，則變壓器副邊電壓Vs是6V。因此，每半副邊繞組的匝數(shù)是

注意：將副邊繞組標(biāo)準(zhǔn)化到1匝，原邊繞組標(biāo)準(zhǔn)化到37匝，使本例中的峰值磁通密度稍高于100mT。

計(jì)算中使用的Vs是在90V最小充電器輸入電壓時(shí)得到的副邊電壓，在該電壓時(shí)脈沖寬度最大。在高輸入電壓時(shí)，控制電路將減少脈沖寬度以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)。

為使銅損耗和漏感最小，重要的是選擇變壓器導(dǎo)線的最佳規(guī)格尺寸和形狀以及合理地繞制，使原、副邊繞組之間的漏感最小。本例中將使用分層繞制技術(shù)。

大電流副邊繞組應(yīng)使用占繞組架整個(gè)寬度（小于漏電距離）的銅箔。