反激式高频变压器的分析与设计

摘要：随着反激式高频链逆变器在小功率领域应用的不断扩大，为了研究出其核心部件：反激式高频变压器有效实用的设计方式。在此结合了Ap法及电流密度经验公式，对于变压器Ap值的确定方法进行了改进，通过设计实例，用详实、具体的步骤揭示了高额变压器设计、制作的复杂程序。最后，为了验证设计效果，设计实例中的实验品在250 VA反激式高频链逆变器中进行了测试使用，测试结果表明设计的变压器性能良好，设计方法清晰、明了。
关键词：高频链；高频变压器；反激式；气隙

0 引言
随着电力电子技术的不断发展和应用领域的不断扩大，传统的工频逆变器因存在变压器体积过大、输出滤波器笨重、容易产生音频噪声及系统的动态响应特性较差等缺点，已不能适应现代电源技术发展的潮流与需求，而高频链逆变器则因为拥有高可靠性、高效率、高频化、高功率密度、低损耗等特点，正在逐渐取代传统的工频逆变器，成为新一代逆变器的主流发展方向之一。
作为高频链逆变器的核心部件，高频变压器同时具备传输能量、电气隔离、储能、升降压等功能，其性能好坏，将直接决定整个逆变器性能的优劣。在各类高频变压器的设计中，以反激变换器拓扑中的变压器最复杂，而在小功率范围内，反激式高频链逆变器的拓扑目前是综合性能最好的拓扑结构，因此，本文的研究重点将放在反激式高频链逆变器的高频变压器的设计上。

1 反激式高频链逆变器简介
反激式(Flyback)高频链逆变器又称电流型高频链逆变器，它是以反激变换器拓扑为基础演变而来的，其电路拓扑如图1所示。它由高频逆变器、高频变压器和周波变换器组成，其中高频变压器不仅提供电气隔离和电压调整而且还可以存储能量，因此可以省掉输出滤波电感。相比于其它结构的高频链逆变器，反激变换器的电流源高频链逆变器具有拓扑结构简单、能量双向流动、控制易于实现、无电压过冲问题等优点。

针对反激式高频链逆变器的高频变压器设计需要注意以下2点：
(1)反激型电路工作于电流断续模式时，变压器的磁芯利用率较高，故在设计反激型变压器时，应根据DCM模式下的公式去计算原副边电压比；
(2)在设计反激型电路的变压器时，必须设计足够的磁芯气隙来防止磁芯饱和状态并平衡直流成分。

2 变压器设计分析
2．1 磁芯材料
设计高频变压器首先从选择磁芯材料开始，高频开关电源的变压器磁芯大多是在低磁场下使用的软磁材料，具有较高的磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能够承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。各种磁芯物理性能及价格比较如表1所示。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但饱和磁通比较小。本文设计就采用铁氧体材料。