高频推挽变压器的设计优化

1.设计步骤

CW3524推挽式变压器可根据温升限定和最佳效率来设计，具体步骤如下。

（1）根据输出功率选择合适的铁心型号

铁心的有效功率额定值由允许温升、占空比、绕组设计、导线类型、绝缘要求以及绕组组成等因素确定。可见，同一型号的铁心由于各种因素的影响不同，容许功率范围可能不同，如图3-22所示。

（2）了解铁心特性，确定热阻值

由于推挽式变换电路适合低电压输入，如电信通信电源采用48V输入的DC/DC变换方式，电压应力较小，爬电距离余量可达2mm。变压器利用真空浸渍，以消除线间空隙以及绕组与骨架结构松动，这样有较好的传热特性和导磁能力。

（3）已知温升和热阻值，求出变压器的总损耗值

一般公式如下：

式中，P_id为变压器内部耗散总功率（W）；ΔT为相对于环境的温升（℃）；R_th为热阻（℃/W）。

对于最佳效率，变压器耗散总功率（见图3-23）P_id=P_Cu+P_Fe，即耗散总功率包括铜损加铁损之和。P_Cu=0.44P_id，P_Fe=0.56P_id。

（4）计算磁感应强度的增量

有两种方法，一是从图3-27可知，由铁损P_Fe、工作频率和温度就可以知道磁感应强度的峰值，这是常用的可行方法；二是从图3-22所示曲线可知铁损P_Fe和工作频率，由表3-2可知磁心有效截面积A_e，按以下公式求出磁感应强度增量ΔB值。

式中，ΔB为磁感应强度增量（mT）；Φ为磁通（μWb）；A_e为铁心有效截面积（mm²）。

（5）计算二次绕组匝数

首先要确定二次电压V_S′。V_S′由三部分组成。对于大电流、低电压输出的变换电路，考虑电压V_S降低时仍然有正常的电压V_o输出，因此输出电压应定为1.1V_o。输出电压V_o是经整流二极管、导线、变压器一次绕组得到的，这两种电压降设为V_L。由于变压器二次漏感的原因，有效导通时间不可能达到50%工作周期，即在每半周二次电流从建立到满值都要经过延时，占空比要小于0.5，一般设为0.46，两管为0.92，相当于二次电压需再提高（t_on′+t_off′）/t_on′（t_on′为两管导通占空比之和）。因此，二次电压V_S′按下式计算：

图3-27 磁心磁滞—涡流损耗与磁通Φ的函数关系

每伏最佳匝数为

式中，t_on为导通时间，占空比按0.46计算；ΔB为磁感应强度增量。

最后计算二次绕组匝数：(www.xing528.com)

计算一次绕组匝数：

式中，N_P为一次绕组匝数；V_Smin为最低输入电压；为变压器每伏最佳匝数。

对于大电流输出，二次侧通常用薄铜板（条）绕制，一次侧由多股平行高强度漆包线绕制。为了减小漏感，集肤效应及邻近效应也应尽量减小，以得到最佳交流电阻与直流电阻的比率。导线截面积间的空隙、铜板的厚薄都要特别加以注意。绕组布置，即每层的匝数和各绕组的安置对漏感（或漏磁通）和最低邻近效应都会产生很大影响。有关导线粗细的选用和集肤效应的影响，见图3-28。总之，低压、大电流、大功率变换电路设计完成后，还要注重实际调整工作。调整的快慢全靠的是经验，不能以设计的各项参数为基准，更不能万事大吉了，因为有很多模糊的不确定因素，例如绕制工艺、浸渍、通风、调节、PCB的设计的影响等都无法预先设定。

2.设计实例

设变压器的输入电压为-48V，波动范围为+20%～-15%，工作频率为40kHz，输出电压为-24V，电流为3A，环境温度为0～55℃，允许温升为40℃，效率为80%。

计算输出功率P_o为

P_o=V_oI_o=24V×3A=72W

输入功率P_i为

图3-28 漆包线的集肤效应

根据工作频率为50kHz和P_i=90W，由图3-22选择EC35/17。查表3-2可知，磁心有效截面积为84.3mm²，允许功率范围是60～150W。考虑低压输入/输出、变压器真空浸渍以及有较好的传热特点，热阻值范围为17.4～20℃/W，选取低值R_th=18℃/W。依照前面介绍的公式P_id=ΔT/R_th，ΔT取50℃，则

其中P_Fe=0.44×2.8W≈1.23W

P_Cu=0.56×2.8W≈1.57W

由P_Fe=1.23W，f=50kHz以及图3-27可确定Φ_P-P=40μWb。查表3-2，A_e=84.3mm²，则

现设定工作频率为50kHz，占空比D=0.5，则导通时间

从上述计算结果看，推挽式变换电路的变压器绕制与其他方式变换电路的变压器绕制有所不同。首先是它的电源输入电压低，这样变压器的绝缘强度和安全距离不是考虑的主要问题。其次是变压器一次绕组的匝数少，输出的功率比较大，而磁心的窗口面积又很大，搞不好整个变压器的线包所占用的空间还不到窗口面积的一半，这对磁心的利用是一个很大的浪费。而且变压器本身的损耗很大，磁辐射也大，磁耦合能力降低，这时变压器应采用多股高强度漆包线并绕，它的二次侧宜采用铜条或多股漆包线绕制，这可以减小变压器的峰值电压和一次侧、二次侧间的漏感，增加导磁能力，有利于提高变压器的效率，同时变压器窗口得到充分利用。