清華大學自動化系張乃國（北京100084）

    摘要:

    從開關電源功率變壓器的特性和要求引出設計步驟及計算公式。其設計方法參考原電子

    工業部“指導性技術文件sj/z2921”。

    1開關電源功率變壓器的特性

    功率變壓器是開關電源中非常重要的部件，它和普通電源變壓器一樣也是通過磁耦合來傳輸能量的。不過在這種功率變壓器中實現磁耦合的磁路不是普通變壓器中的硅鋼片，而是在高頻情況下工作的磁導率較高的鐵氧體磁心或鈹莫合金等磁性材料，其目的是為了獲得較大的勵磁電感、減小磁路中的功率損耗，使之能以最小的損耗和相位失真傳輸具有寬頻帶的脈沖能量。

    圖1（a）為加在脈沖變壓器輸入端的矩形脈沖波，圖1（b）為輸出端得到的輸出波形，可以看出脈沖變壓器帶來的波形失真主要有以下幾個方面：

    圖1脈沖變壓器輸入、輸出波形

    （a）輸入波形（b）輸出波形

    （1）上升沿和下降沿變得傾斜，即存在上升時間和下降時間；

    （2）上升過程的末了時刻，有上沖，甚至出現振蕩現象；

    （3）下降過程的末了時刻，有下沖，也可能出現振蕩波形；

    （4）平頂部分是逐漸降落的。

    這些失真反映了實際脈沖變壓器和理想變壓器的差別，考慮到各種因素對波形的影響，可以得到如圖2所示的脈沖變壓器等效電路。

    圖中：rsi——信號源ui的內阻

    rp——一次繞組的電阻

    rm——磁心損耗（對鐵氧體磁心，可以忽略）

    t——理想變壓器

    rso——二次繞組的電阻

    rl——負載電阻

    c1、c2——一次和二次繞組的等效分布電容

    lin、lis——一次和二次繞組的漏感

    lm1——一次繞組電感，也叫勵磁電感

    n——理想變壓器的匝數比，n=n1/n2

    圖2脈沖變壓器的等效電路

    將圖2所示電路的二次回路折合到一次，做近似處理，合并某些參數，可得圖3所示電路，漏感li包括lin和lis，總分布電容c包括c1和c2；總電阻rs包括rsi、rp和rso；lm1是勵磁電感，和前述的lm1相同；rl′是rl等效到一次側的阻值，rl′=rl/n2,折合后的輸出電壓u′o=uo/n。

    經過這樣處理后，等效電路中只有5個元件，但在脈沖作用的各段時間內，每個元件并不都是同時起主要作用，我們知道任何一個脈沖波形可以分解成基波與許多諧波的疊加。脈沖的上升沿和下降沿包含著各種高頻分量，而脈沖的平頂部分包含著各種低頻分量。因此在上升、下降和平頂過程中，各元件（l、c等）表現出來的阻抗也不一樣，因此我們把這一過程分成幾個階段來分析，分別找出各階段起主要作用的元件，而忽略次要的因素。例如，當輸入信號為矩形脈沖時，可以分3個階段來分析，即上升階段、平頂階段和下降階段。

    （1）上升階段

    對于通常的正脈沖而言，上升階段即脈沖前沿，信號中包含豐富的高頻成分，當高頻分量通過脈沖變壓器時，在圖3所示的等效電路中，c的容抗1/ωc很小，而lm1的感抗ωlm1很大，相比起來，可將lm1的作用忽略，而在串聯的支路中，li的作用即較為顯著。于是可以把圖3所示的等效電路簡化成圖4所示的等效電路。

    圖3圖2的等效電路

    圖4圖3的簡化電路

    在這個電路中，頻率越高，ωli越大，而1/ωc越小，因而高頻信號大多降在li上，輸出的高頻分量就減少了，