高频变压器电路的波形参数分析-电子发烧友网

引言

AP表示磁心有效截面积与窗口面积的乘积。

计算公式为

式中，AP的单位是cm4；Aw为磁心可绕导线的窗口面积(cm2)Ae为磁心有效截面积(cm2)，Ae≈Sj=CD，Sj为磁心几何尺寸的截面积，C为舌宽，D为磁心厚度。根据计算出的AP值，即可查表找出所需磁心型号。下面介绍将AP法用于开关电源高频变压器设计时的公式推导及验证方法。

1 高频变压器电路的波形参数分析

开关电源的电压及电流波形比较复杂，既有输入正弦波、半波或全波整流波，又有矩形波 ( PWM波形) 、锯齿波( 不连续电流模式的一次侧电流波形) 、梯形波( 连续电流模式的一次侧电流波形) 等。高频变压器电路中有3个波形参数：波形系数(Kf) ，波形因数(kf) ，波峰因数(kP)。

1)波形系数Kf

为便于分析，在不考虑铜损的情况下给高频变压器的输入端施加交变的正弦波电流，在一次、二次绕组中就会产生感应电动势e。根据法拉第电磁感应定律，e=dΦ／dt =d( NABsinωt ) ／dt = NABoωcosωt其中N为绕组匝数，A为变压器磁心的截面积，B为交变电流产生的磁感应强度，角频率ω=2Πf 。正弦波的电压有效值为

在开关电源中定义正弦波的波形系数Kf=√2*Π=4.44利用傅里叶级数不难求出方波的波形系数。

2)波形因数kf

为便于对方波、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波等周期性非正弦波形进行分析，需要引入波形因数的概念。在电子测量领域定义的波形因数与开关电源波形系数的定义有所不同，它表示有效值电压

压(URMS) 与平均值电压之比，为便于和Kf区分，这里用小写的kf表示，有公式

以正弦波为例，

这表明，Kf=4kf，二者相差4倍。

开关电源6种常见波形的参数见表1。因方波和梯形波的平均值为零，故改用电压均绝值期，占空比D=t／T。

2 用AP法( 面积乘积法) 选择磁心的公式推导

令一次绕组的有效值电压为 U1，一次绕组的匝数为NP，所选磁心的交流磁通密度为BAC，磁通量为Φ，开关周期为T，开关频率为f,一次侧电流的波形系数为Kf，磁心有效截面积为Ae ( 单位是cm2)，有关系式

考虑Kf=4kf关系式之后，可推导出

同理，设二次绕组的有效值电压为US，二次绕组的匝数为NS，可得

设绕组的电流密度为（单位是A/cm2) ，导线的截面积为S=I／J。令高频变压器的窗口面积利用系数为KW，一次、二次绕组的有效值电流分别为I1、I2，绕组面积被完全利用时

即

再将( 5 ) 式和( 6 ) 式代入( 8) 式中整理后得到

高频变压器的视在功率表示一次绕组和二次绕组所承受的总功率，即S=PI +PO。因电源效率η=Po／PI，故Po+PI=Po／η+ Po=( 1+η)Po／η。代入( 10) 式最终得到

这就是AP法选择磁心的基本公式。下面将从工程设计的角度对( 11 ) 式做深入分析和适当简化，重点是对式中的K 、BAC参数做进一步推导。

开关电源一次侧的电压波形可近似视为矩形波，即

但一次侧的电流波形不是矩形波，而是锯齿波 ( 工作在不连续电流模式DCM) 或梯形波( 工作在连续电流模式 CCM) 。不连续电流模式和连续电流模式的一次侧电流波形分别如图1 ( a) 、( b) 所示。以不连续电流模式为例，一次侧电流波形是周期性通、断的锯齿波，仅在功率开关管( MOSFET) 导通期间，一次侧出现锯齿波电流；在功率开关管关断期间，一次侧电流为零。令导通时间为tON，开关周期为T， D=tON／T。对于周期性通、断的锯齿波，一次侧电流的波形因数可用k'f表示，有关系式

查表1，周期性锯齿波的kf=1.155，代人式(12) 中得k'f=1.115D。此时需将式( 11 ) 中的换成 1.115D。

在连续电流模式下一次侧电流波形为周期性通、断的梯形波，其波形因数比较复杂。一种简单方法是先按照不连续电流模式选择磁心，然后适当增加磁心尺寸，以便通过增大一次绕组的电感量，使开关电源工作在连续电流模式。

磁心的交流磁通密度（BAC) 可根据最大磁通密度(BM)来求出，对于反激式开关电源，计算公式为

式中，KRP为脉动系数，它等于一次侧脉动电流IR与峰值电流IP的比值；在连续电流模式时KRP<1；不连续电流模式时KRP=1 。Z为损耗分配系数，它表示二次侧的损耗与总功耗的比值，在极端情况下，Z=0表示全部损耗发生在一次侧，此时负载开路；Z=1 贝0 表示全部损耗发生在

二次侧，此时负载短路。一般情况下取Z=0. 5，因此BAC=0.5BMKRP。将k'f =1.115D和BAC= 0.5BMKRP一并代人式( 1 1 ) 中，整理后得到

这就是AP法选择磁心的实用公式。式(14)是按照单极性变压器的绕组电流及输出功率推导出来的，适用于单端正激式或反激式高频变压器的设计。式中，AP的单位为cm4，Po的单位为W。电流密度一般取J=200～600A／cm2( 即 2～6A／mm2) 。窗口面积的利用系数一般取KW= 0.3～0.4。如高频变压器有多个绕组，就应计算全部绕组的匝数与对应电流的乘积之和。

进一步分析可知，对于不连续电流模式(KRP= 1 ) ，式( 1 4) 可简化为

对于连续电流模式(KRP<1 ) ，假定KRP=0.8，式( 14 ) 可简化为

对于单端正激式高频变压器而言，最大占空Dmax<0. 5。如选择实际占空比D=0. 4，电源效率η=80％，窗口面积利用系数KW=0. 4，J = 400A／cm2，则式( 14) 可简化为

式( 1 5 ) ～( 1 7) 都是根据不同电路结构和指定参数简化而来的，当实际参数改变时，计算结果会有误差。更为准确的方法是采用式( 1 4) 计算。推而广之，可总结出下述规律：第一，在输出功率相同的条件下，全桥和半桥式变换器所需高频变压器的体积最小，单端正激式变压器的体积最大；第二，在输出功率相同的条件下，连续电流模式的AP值要大于不连续电流模式，这表明连续电流模式所需高频变压器的体积较大，而不连续电流模式所需高频变压器体积较小；第三，上述公式均未考虑磁心损耗、磁心材料存在的差异、磁心损耗随开关频率及环境温度升高而增大等因素，因此仅供选择磁心时参考。

3 用AP法选择磁心的验证

设计一个输出功率为60W的反激式通用开关电源模块，要求交流输入电压为 85～265V，输出为 +12V、5A。采用AP法选择磁心，已知η=80％，PO=60W ，KW=0.35，D=0.5；对于反激式开关电源，BM值应介于0. 2～0. 3T之间，现取BM=0.25T，KRP=0. 7，f=100kHz，一并代入式 (14) 中得到

根据AP=0. 48cm4，从表 l中查出与之接近的最小磁心规格为EI28，其AP=0.58cm4。考虑到磁心损耗等因素，至少应选择EI30型磁心，此时AP=0.91cm4，Ae=1.09cm2。若按经验公式Ae≈Sj=0.15√（PM）进行估算，可得Ae=1.16cm2，查表 2，与之最接近的是 EI3 3型磁心的Ae=1.18cm2。由此可见，采用两种方法所得到的结果是基本吻合的。为满足在宽电压范围内对输出功率的要求，本例实际选择EI33型磁心。