半桥式高频变压器的设计要满足工作频率，输入电压的宽度，变压器温升等要求。首先根据功率选定磁心，再确定磁感应强度，还要考虑磁心的损耗。......
2023-06-25
高频变压器的设计与计算
【摘要】：高频变压器的设计是开关电源设计中的重点，也是开关电源设计中的难点。本书对高频变压器计算采用多个公式、多种方式进行计算。
高频变压器的设计是开关电源设计中的重点，也是开关电源设计中的难点。一般高频变压器的工作频率为50～500kHz，有的甚至高达1000kHz；要求变压器具有高功率密度，高传递效率，低损耗，小体积；对设计要有一定的铁损铜损比例，有一定的漏磁励磁比例，还要求有一定的一次侧和二次侧功率损耗比例。本书以不同的计算方法对变压器的设计进行跟踪式追述演算，以谋求技术数据的准确可信，当然由于使用材料、绕制工艺、PCB的绘制等存在差异，制作出的产品与实际可能还会存在差距。
1.方法一：输入功率法
高频变压器的设计计算是整个开关电源的设计核心，也是一项繁琐而又复杂的工程。变压器的设计方法有多种，哪一种方法准确呢？很难说清楚，因为影响参数太多，原材料的差异太大。所谓输入功率法，是根据输入功率查找变压器感应电压，又根据输入功率和工作频率查找高频变压器磁心。本书对高频变压器计算采用多个公式、多种方式进行计算。
NCP1207属于零电压开关电源，其效率高、损耗小，但考虑到元器件的分散性和生产工艺的复杂性，所以电源的效率采用η=0.85。
（1）计算开关功率管VT1的导通时间ton
导通时间的长短取决于输出电压和一次绕组电感。
（2）计算高频变压器一次电感
LP=VBmaxton（min）/IPK=303.52×3.47/1.761μH=598μH
选用磁心有两种方法：一是根据工作频率和输入功率采用PQ26/20，Ae=113mm2，窗口有效使用系数Ko=0.36，窗口面积Aw=60.4mm2，磁心的磁感应强度在温度100℃时为360mT，磁通变化范围为60%，ΔB=360mT×60%=216mT。另一种方法用经验公式
（Vo1Io1+Vo2Io2）/η=（18×4+12×0.5）W/0.85=91.77W，则Ae=10.591.77mm2=100.59mm2。
（3）计算高频变压器一次匝数
NP=VBmaxton（min）/（ΔBAe）=303.52×3.47/（0.216×113）=43.15≈43
（4）计算变压器的二次电压和二次匝数
Vs1=（Vo1+VD+VL）/K=（18+0.4+0.3）/0.707V=26.45V
Ns1=Vs1·NP/VD（max）=26.45×43/303.52=3.75≈4
VF=（VF1+VD2+VR10+VT2）/K
设IC1的工作电流为12mA，VT2的c-e极压降为0.6V，VD2压降为0.6V，则反馈绕组电压
VF=（12+0.6+12×10-3×100+0.6）/0.707V=20.37V
NF=VFNP/VBmax=20.37×43/303.52=2.89≈3二次绕组电压：
Vs2=（Vo2+VD5+VC4）/K=（12+0.6+2）/0.707V=20.65V
Ns2=Vs2NP/VBmax=20.65×43/303.52=2.93≈3
（5）计算变压器磁心气隙
δ=4π×10-7N2PAe/LP=12.56×10-7×432×113/0.598mm=0.44mm
（6）计算变压器一次导线截面积
Sj=KAwIPK/NP
式中，K为变压器导线绕制系数，取K=0.12；Aw为磁心窗口面积，Aw=60.4mm2；IPK为一次绕组峰值电流，则有Sj=0.12×60.4×1.761/43=0.297mm2，根据表3-2选用AWG34漆包线，其线径Sj=0.2863mm2，为一次绕组用线。
2.方法二：输出功率法
（1）计算变压器一次峰值电流
按输出功率与变压器一次绕组输入电压的关系：
IPK=2Po/（VBmaxDminη）=2×78/（303.52×0.347×0.85）A=156/89.523A=1.743A
（2）计算高频变压器一次绕组电感
LP=V2Bminton（max）Dmin/（Poη）=150.242×5.18×0.347/（78×0.85）μH=612μH
（3）计算一次匝数：磁心的选用与方法一相同
NP=LPIPK/（ΔBAe×10-3）=0.612×1.743/（0.216×113×10-3）=43.7≈44
（4）计算变压器二次匝数及反馈绕组匝数
NS1=（Vo1+VD）（1-Dmin）NP/（VBminDmin）=（18+0.7）×（1-0.347）×44/（303.52×0.347）=5.1≈5
NS2=（Vo2+VD）（1-Dmin）NP/（VBmaxDmin）=（12+0.6）×（1-0.347）×44/（303.52×0.347）=3.44≈3
NF=（VF+VD+VR10）（1-Dmin）NP/（VBmaxDmin）=（15+0.6+1.2）×（1-0.347）×44/（303.52×0.347）=4.6≈5
（5）计算变压器磁心气隙
δ=0.4πLPI2PK/（AeΔB2）=1.256×0.612×1.7432/（113×0.2162）=0.443mm≈0.44mm
3.方法三：感应电流法
（1）计算变压器一次绕组峰值电流IPK
IPK=Po/（VBminDminη）=78/（150.24×0.347×0.85）A=1.760A
（2）计算变压器一次绕组电感LP
LP=VBminton（max）×102/（2Poη）=150.24×5.18×102/（2×78×0.85）μH=587μH
（3）计算变压器一、二次绕组及反馈绕组匝数
（4）计算变压器磁心气隙
δ=4π×10-4IPKNP/ΔB=12.56×10-4×1.76×45/0.216mm=0.46mm
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2023-06-25
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