反激式高频变压器优化设计与应用研究

发布时间：2020-03-25 00:20

【摘要】：反激式开关电源具有节能高效、稳定可靠等优点,已成为主流电源产品。作为反激式开关电源中的核心元件,高频变压器对电源的工作性能起着决定性作用。本文主要围绕高频变压器的设计、优化及其应用进行了研究,包括高频变压器的设计方法、绕组结构优化、寄生参数对开关电源的影响,以及开关电源带载能力评估和磁芯选择。为了提高高频变压器的设计效率和精度,在高频变压器传统设计方法的基础上,提出了一种基于有限元计算的设计方法,给出了具体的设计步骤和流程,应用该方法对一台高频变压器进行了设计,其设计结果与样机测试结果吻合较好,该方法克服了传统设计方法中经验公式带来的误差。针对设计的高频变压器,以降低绕组损耗为目的,分析了气隙边缘场效应、趋肤效应和邻近效应对绕组损耗的影响,提出了基于气隙回避和绕组交叉换位的结构优化措施,场路耦合仿真结果说明了绕组结构优化措施的可行性。以两种绕组优化结构为基础,分析了高频变压器的漏感和分布电容对反激式开关电源的影响机理,采用场路耦合仿真法对两种交叉换位结构在降低寄生参数引起的开关管电压和电流应力进行了对比,结果表明:交叉换位结构Ⅰ更适用于电磁兼容性要求较高的场合。为了进一步提高反激式开关电源的工作可靠性,以高频变压器在运行温度的全范围内不出现磁芯饱和为前提,提出了一种反激式开关电源带载能力评估方法,给出了详细的评估过程和评估标准,实现了反激式开关电源在实际带载情况下的准确评估。基于高频变压器的磁饱和特性,提出了一种基于电源I-P特性的磁芯选择方法,得到了不同磁芯对应的I-P特性拟合公式,实现了开关电源在不同功率应用区间的磁芯合理选择。场路耦合仿真结果与实验测试结果均吻合,验证了评估方法和磁芯选择方法的正确性。
【图文】：

拓扑图,反激式开关电源,拓扑,高频变压器

变压器同名端的位置，可知此时感应到副边绕组的电压极性正好与原边绕组相反，故副边整流二极管 DO结束无法导通的状态。在 MOS 管导通阶段，原边绕组所存储的能量转移到副边，通过副边绕组的电流 IS应满足：O DS SPK offSV VI I TL (2.2)式中：ISPK为通过高频变压器副边绕组的电流峰值；VD为副边输出整流二极管的正向导通电压；LS为高频变压器的副边电感量，Toff为单个开关周期内 MOS 管的截止时间。如图 2.2 所示，电源常见的工作模式有两种，通过高频变压器原副边绕组的电流 IP和 IS可以作为区分电源工作模式的基准量，区分方法有两种：（1）当MOS 管 Q 导通时，高频变压器的原边初始电流 IP0大于零时，则电源处于连续模式，否则电源处于非连续模式；（2）当 MOS 管 Q 截止结束时，通过高频变压器副边绕组的电流 IS尚未衰减至零，则电源处于连续工作模式，否则电源处于非连续模式。

波形,高频变压器,绕组电流,工作模式

图 2.2 两种电源工作模式下的高频变压器原副边绕组电流波形2.3 基于有限元的高频变压器设计方法高频变压器传统的设计是通过计算相应的设计参数，确定高频变压器的设计方案。但在参数计算过程中所需的相关系数是根据经验人为给定的，，且需反复迭代，得到的计算结果存在较大偏差的可能。克服经验性取值带来的计算结果偏差是提高高频变压器设计准确性和设计效率的重要举措。为此，在原有参数计算和样机制造两大步骤中间引入有限元建模和计算环节，该中间环节负责高频变压器特征参数的计算工作，提出的设计方法主要包含 6 个步骤：（1）确定电源产品的需求参数；（2）基于 AP 法[46-50]选择高频变压器磁芯，并完成高频变压器内部结构参数计算，给出相应的设计方案；（3）基于设计方案完成高频变压器的有限元建模和计算；（4）研制高频变压器样机，并完成特征参数的测定；（5）比较有限元计算和样机测试的结果，若两者的偏
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM433

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