干货 | 电源——反激变压器设计过程（下）

干货 | 电源——反激变压器设计过程（下）

反激变压器是开关电源中常见的变压器类型，其设计过程涉及多个关键参数的计算和选择。本文将详细介绍反激变压器的设计过程，包括磁饱和、居里温度、磁通量、温度控制等关键参数的计算方法，以及绕组匝数、导线线径等具体设计步骤。

一、磁饱和与居里温度

简单的说就是两个问题：

1. 饱和——引起电感量减小
2. 居里温度——磁导率减小

所以选择变压器的时候，我们需要充分考虑两个问题：

1. 磁通量必须满足，避免饱和。
2. 温度不能太高。

所以我们需要先计算变压器铁心磁饱和的磁通量的最大值B（max）

决定变压器的材质及尺寸:

依据变压器计算公式

B（max）的计算结果，不要超过我们选型的铁心的额定值，并进行降额、并考虑外壳导致散热不良带来的影响，并留有余量。

B（max）的算法有两种，

• 面积相乘法（AP法）
• 几何参数法（KG 法）

推导过程比较复杂和繁琐，此处不进行展开。

在这里用面积乘积公式粗选变压器的磁芯形状和尺寸。具体公式如下：

反激变压器工作在第一象限，最高磁密应留有余度，故选取BMAX=0.3T，反激变压器的系数K1=0.0085（K1是反激变压器在自然冷却的情况下，电流密度取420A/cm2时的经验值。）

磁芯型号：查EPC磁芯系列—EPC19，磁芯参数为：

• 磁芯有效截面积: Ae=22.7mm2
• 磁芯窗口面积: Aw=50mm2
• 磁路长度: Le=0.461mm
• 无气隙电感系数: Al=940nH/T2
• 磁芯体积: Ve=0.9cm3
• 骨架绕线宽度: Bw=11.9mm

EPC磁芯主要为平面变压器设计的，具有中柱长，漏感小的特点。EPC19磁芯的AP值约为0.11cm4，稍大于计算所需的AP=0.09 cm4。若再选用小一号的磁芯EFD15,其AP值约为0.047 cm4，小于计算所需的AP=0.09 cm4，不符合要求，故选用EPC19磁芯。

二、计算变压器各绕组匝数、有效气隙电感系数及气隙长度

1. 法拉第电磁感应定律

电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比，若感应电动势用 表示，则 ，这就是法拉第电磁感应定律。

若闭合电路为一个 匝的线圈，则又可表示为： 。式中， 为线圈匝数， 为磁通量变化量，单位 ， 为发生变化所用时间，单位为 ， 为产生的感应电动势，单位为 。

电感欧姆定律方程：V=L*（dI/dt）

所以推导得到电流型方程：NAB=L*I

原边绕组匝数：

当电感、电流、匝数、面积确定的情况下，磁饱和密度也就确定了。

换句话说：我们为了达到一定的磁饱和密度，需要增加匝数来实现。

当原边的匝数满足要求之后，我们通过匝数比关系，可以计算副边匝数要求。

三、选择绕组导线线径

满足磁通量的同时我们还需要考虑电流和空间的问题。

决定变压器线径及线数:

当变压器决定后，变压器的Bobbin（骨架）即可决定，依据Bobbin（骨架）的槽宽，可决定变压器的线径及线数，亦可计算出线径的电流密度，电流密度一般以6A/mm2为参考，电流密度对变压器的设计而言，只能当做参考值，最终应以温升记录为准。

变压器有效的骨架宽度：

LX为原边绕组层数，在这里采用4层。

M为线圈每端需要的爬电距离，在这里取2mm。

(爬电距离是沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。)

骨架绕线宽度:Bw=11.9mm

计算原边绕组导线允许的最大直径（漆包线）：

根据上述计算数据可采用裸线径DIA=0.23mm的漆包线绕置，其带漆皮外径为0.27mm，刚好4层可以绕下。

根据所选线径计算原边绕组的电流密度：

计算副边绕组导线允许的最大直径（漆包线）：

根据上述计算数据可采用裸线径DIASS=0.72mm的漆包线绕置，但由于在温度100℃、工作频率为60KHz时铜线的集肤深度：

而0.72mm大于了2倍的集肤深度，使铜线的利用率降低，故采用两根0.35mm的漆包线并绕。

自供电绕组线径：由于自供电绕组的电流非常小只有5mA，因此对线径要求并不是很严格，在这里主要考虑为便于与次级更好的耦合及机械强度，因此也采用裸线径为0.35mm的漆包线进行绕置，使其刚好一层绕下，减小与次级之间的漏感，保证短路时使自供电电压降低。

四、计算变压器损耗和温升

变压器的损耗主要由线圈损耗及磁芯损耗两部分组成，下面分别计算：

1）线圈损耗：

为100℃铜的电阻率为2.3×10-6（·cm ）；为原边绕组的线圈长度，实测为360cm；A为原边0.23mm漆包线的截面积。

d为原边漆包线直径0.23mm，s为导线中心距0.27mm，为集肤深度0.31mm。

原边交流电阻与直流电阻比：由于原边采用包绕法，故原边绕组层数可按两层考虑，根据上式所求的Q值，查得。

为100℃铜的电阻率为2.3×10-6（·cm ）；为副边绕组的线圈长度，实测为80cm；A为副边两根0.38mm漆包线的截面积。

d为副边漆包线直径0.35mm，s为导线中心距0.41mm，

为集肤深度0.31mm。

副边交流电阻与直流电阻比：副边绕组层数为一层，根据上式所求的Q值，查得：

2）磁芯损耗：

Pcv为磁芯功率损耗，由峰值磁通密度摆幅、工作频率60KHz及工作温度100℃可在厂家手册上查出其损耗约为30mw/cm3。

Ve为EPC19的体积0.105cm3。

总结：通过上述计算可知，当环境温度为85℃时，变压器最高温度在96℃左右，符合磁芯的最佳工作温度。同时采用包绕法使得漏感仅为70uH(1KHz时)/15uH(100KHz时)，小于3%，效果较理想。