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正激变换器中变压器的设计
胡宗波，张波
(华南理工大学电力学院雅达电源实验室，广东广州 510640）
摘
要：详细介绍了高频开关电源中正激变换器变压器的设计方法。按照设计方法，设
计出一台高频开关电源变压器，用于输入为 48V(36½72V)，输出为 2.2V、20A 的正激变换器。设
计出的变压器在实际电路中表现出良½的电气特性。
关键词：高频开关电源；正激变换器；开关电源变压器
1 引言
电力电子技术中，高频开关电源的设计主要分为两部分，一是电路部分的设计，二是磁路
部分的设计。相对电路部分的设计而言，磁路部分的设计要复杂得多。磁路部分的设计，不½要
求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰富的实践经验。在磁路部分设计完毕后，还必须放到
实际电路中验证其性½。由此可见，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部分的设
计。高频开关电源的磁性元件主要包括变压器、电感器。为此，本文将对高频开关电源变压器的
设计，特别是正激变换器中变压器的设计，给出详细的分析，并设计出一个用于输入 48V(36½
72V)，输出 2.2V、20A 的正激变换器的高频开关电源变压器。
2 正激变换器中变压器的设计方法
正激变换器是最简单的隔离降压式 DC/DC 变换器，其输出端的 LC 滤波器非常适合输出大电
流，可以有效抑制输出电压纹波。所以，在所有的隔离 DC/DC 变换器中，正激变换器成为½电压
大电流功率变换器的首选拓扑结构。½是，正激变换器必须进行磁复½，以确保励磁磁通在每一
[1,2]
个开关周期开始时处于初始值。正激变换器的复½方式很多，包括第三绕组复½、RCD 复½ 、
[3]
[4,5]
[6]
有源箝½复½ 、LCD 无损复½ 以及谐振复½ 等，其中最常见的磁复½方式是第三绕组复½。
本文设计的高频开关电源变压器采用第三绕组复½，拓扑结构如图 1 所示。
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开关电源变压器是高频开关电源的核心元件，其½用有三：磁½½换、电压变换和绝缘隔
离。在开关管的½用下，将直流电½变成方波½加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电
磁½换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负½½。开关变压器的性½½坏，不仅½响变压器
本身的发热和效率，而且还会½响到高频开关电源的技术性½和可靠性。所以在设计和制½时，
对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等½要有周密考虑。开关电源变压器工½于高
频状态，分布参数的½响不½½略，这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中流动的趋肤
效应。一般根据高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构
设计中实现，而趋肤效应½响则½为选择导线规格的条件之一。
2.1 变压器设计的基本原则
在给定的设计条件下磁感应强度 B 和电流密度 J 是进行变压器设计时必须计算的参数。½
电路主拓扑结构、
工½频率、
磁芯尺寸给出后，
变压器的功率 P 与 B 和 J 的乘积成正比， P∝B·J。
即
½变压器尺寸一定时，B 和 J 选得高一些，则某一给定的磁芯可以输出更大的功率；反之，
为了得到某一给定的输出功率，B 和 J 选得高一些，变压器的尺寸就可以小一些，因而可减小½
积，减½重量。½是，B 和 J 的提高受到电性½各项技术要求的制约。例如，若 B 过大，激磁电
流过大，造成波½畸变严重，会½响电路安全工½并导致输出纹波增加。若 J 很大，铜损增大，
温升将会超过规定值。因此，在确定磁感应强度和电流密度时，应把对电性½要求和经济设计结
合起来考虑。
2.2 各绕组匝数的计算方法
正激变换器中的变压器的磁芯是单向激磁，要求磁芯有大的脉冲磁感应增量。变压器初级
工½时，次级也同时工½。
1)计算次级绕组峰值电流 I
P2
变压器次级绕组的峰值电流 IP2 等于高频开关电源的直流输出电流 I
o
，即
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式中：D 是正激变换器最大占空比。
3)计算初级绕组电压幅值 U
p1
U
p1
=U
in
－ΔU
1
（3）
式中：Uin 是变压器输入直流电压（V）；
ΔU1 是变压器初级绕组电阻压降和开关管导通压降之和（V）。
4）计算次级绕组电压幅值
式中：U
o
是变压器次级负½½直流电压（V）；
ΔU
2
是变压器次级绕组电阻压降和整流管压降之和（V）。
5)计算初级电流有效值 I
1
½略励磁电流等½响因素，初级电流有效值 I1 按单向脉冲方波的波½来计算：
6)计算去磁绕组电流有效值 I
H
去磁绕组电流约与磁化电流相同，约为初级电流有效值的 5％½10％，即
8)确定磁芯尺寸
[7]
首先确定铜耗因子 Z，Z 的表达式为
式中：τ是环境温度（℃）；
Δτ是变压器温升（℃）。
然后计算脉冲磁感应增量ΔBm，
ΔB
m
=K
B
·B
m
（10）
式中：K
B
是磁感应强度系数；
B
m
是磁芯材料最大工½磁感应强度（T）。
对于 R2K 铁氧½磁芯，最大工½磁感应强度是 0.3T。磁感应强度系数 KB 可以从图 2 所示的
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磁感应强度系数曲线图得出，它取决于输出功率 P
2
（W），工½频率 f（kHz）和变压器平均温升
Δ
τ
（℃）。
变压器所需磁芯结构常数 Y 由下式确定
式中：Y 是变压器所需磁芯结构常数（cm5）；
q 是单½散热表面功耗（W/cm
2
），q 可以从温升和 q 值关系曲线中得出，如果环境温度
为 25℃，变压器温升为 50℃，对应的 q 值为 0.06。
计算出 Y 之后，选择磁芯结构常数 Y
c
≥Y 的磁芯，然后从磁芯生产厂商提供的资料中查出
变压器散热表面积 S
t
(cm
2
)，等效截面积 Ae(cm
2
)等磁芯参数，或者自行设计满足结构常数的磁芯。
9)计算初级绕组匝数（N1）
[7]
式中：U
pi
是次级各绕组输出电压幅值（V）。
11)计算去磁绕组匝数
对于采用第三绕组复½的正激变换器，复½绕组的匝数越多，最大占空比越小，开关管的
电压应力越½，½是最大占空比越小，变压器的利用率越½。故需综合考虑最大占空比和开关管
的电压应力，一般选择去磁绕组匝数（NH）和初级绕组匝数相同，即
N
H
=N
1
（14）
需要注意的是，应该确保初级绕组和去磁绕组紧密耦合。
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2.3 确定导线规格
1)计算变压器铜耗 P
m
根据变压器平均温升确定变压器总损耗，减去磁芯损耗即得出铜耗，再根据铜耗来计算电
流密度。计算铜耗应该在磁芯规格确定之后进行。
式中：St 是变压器表面积（cm2）；
Pb 是在工½磁感应强度和频率下单½质量的磁芯损耗（W/kg）；
Gc 是磁芯质量（kg）。
在实际计算中，铜耗可以按总损耗的一半处理。
2)计算铜线质量 G
m
式中：l
m
是线圈平均匝长（cm）；
S
W
是磁芯窗口面积（cm
2
）；
K
m
是铜线窗口占空系数，定义为绕组净可绕线空间与导线截面积之比。
计算铜线占空系数时应根据不同情况选取适½值，一般选取范围在 0.25½0.4 之间，采用
多股并绕时应选取较小值。
3)计算电流密度 J
4)计算导线截面积 S
mi
和线径 d
i
式中：I
i
是各绕组电流有效值（A）。
计算所需导线直径时，应考虑趋肤效应的½响。½导线直径大于 2 倍趋肤深度时，应½可
½采用多股导线并绕。采用 n 股导线并绕时，每股导线的直径 d
in
按下式计算。
如果采用多股导线并绕，导线的股数太多，可以采用铜箔。在½用铜箔时，铜箔的厚度应
该小于两倍的趋肤深度，铜箔的截面积必须大于该绕组导线所需的截面积。
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