反激电源变压器怎么设计与气隙怎么计算

一、面试官考察点

二、回答思路

第一步：明确设计规格和工作模式

做变压器设计之前，先要把输入输出规格都列清楚，包括输入电压范围、输出电压和电流、开关频率、效率要求、工作环境温度等。然后确定工作模式，是DCM断续模式还是CCM连续模式。

第二步：磁芯选型

选磁芯常用AP法，也就是面积乘积法。AP等于磁芯截面积Ae乘以窗口面积Aw，这个值和磁芯能传输的功率成正比。不同拓扑、不同工作模式下的AP计算公式不太一样。反激电源的AP估算公式大概是：AP = P_out × 10^4 / (f_sw × B_max × J × K_u)，其中P_out是输出功率，f_sw是开关频率，B_max是工作磁通密度，J是电流密度，K_u是窗口利用系数。算出来AP之后，查磁芯手册选一个AP值接近的磁芯就行。

实际选型还要考虑形状，比如EE型、EI型、RM型、PQ型各有特点。EE型最便宜最常用；RM型屏蔽效果好；PQ型体积小散热好。磁芯材质也要选，功率铁氧体常用的有PC40、PC44、3C90、3F3等不同牌号，适用频率和损耗特性不一样。

第三步：计算原边参数

反射电压的选择：反射电压Vor是反激设计中的一个重要参数，它直接影响到开关管的电压应力和占空比。Vor选得高，占空比可以大一些，原边电流有效值小，但开关管耐压要求高；Vor选得低，开关管应力小，但占空比小，电流大。通常Vor选在100V到150V左右比较常见，具体要看输入电压范围和开关管耐压。

第四步：匝数和气隙计算

原边电感量算出来之后，就可以算匝数和气隙了。匝数的计算是根据法拉第电磁感应定律，保证在最大导通时间内磁通密度不超过最大允许值。最大磁通密度B_max一般选0.2T到0.3T左右，具体要看磁芯材质和工作温度，要留一定的余量防止饱和。

气隙的作用：气隙在反激变压器里有两个关键作用。第一个作用是储能，反激变压器的能量主要储存在气隙中，气隙越大，能储存的能量越多，因为空气的磁阻比铁氧体大很多。第二个作用是防止磁芯饱和，加气隙之后，磁化曲线变得更平缓，同样的安匝数下磁通密度更低，不容易饱和。

气隙计算：气隙的计算公式来自磁路欧姆定律。电感量L等于4π乘以μ0乘以N平方乘以Ae再除以气隙长度lg（忽略磁芯磁阻的近似）。变形一下就能算出气隙：lg = 4πμ0 × Np² × Ae / Lp。这里μ0是真空磁导率，等于4π×10^-7 H/m。代入常数值简化后大概是lg ≈ 0.4 × π × Np² × Ae / Lp（单位分别是厘米、平方厘米、亨利）。实际设计中，气隙通常设在中心柱上，两边的边柱有没有气隙要看磁芯结构。

第五步：副边参数和线径选择

原边匝数确定后，根据变比就能算出副边匝数。副边匝数Ns = Np × (Vout + Vf) / Vor，其中Vf是输出整流管的正向压降。实际匝数要取整数，而且要验证磁通密度是否还在范围内。

线径选择：根据各绕组的有效值电流和电流密度来选。电流密度J一般选4到6安每平方毫米，自然冷却选小一点，有风扇可以选大一点。算出需要的截面积后选接近的标准线径。如果电流比较大，单根线太粗不好绕，可以用多股细线并绕，还能改善集肤效应。高频应用还要注意集肤深度，频率越高，电流越集中在导线表面，有效截面积越小。常用的做法是用多股利兹线来减小集肤效应的影响。

第六步：损耗和温升验证

设计完之后一定要验证损耗和温升，不然做出来温度太高就麻烦了。变压器的损耗主要有两部分：铜损和铁损。

铜损计算：各绕组的电流有效值平方乘以电阻，加起来就是总铜损。注意交流电阻比直流电阻大，因为集肤效应和邻近效应，高频下这个差值不能忽略。

铁损计算：铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，可以用Steinmetz公式估算，或者查磁芯厂家提供的损耗曲线。铁损和磁通密度、频率、温度都有关系。

温升估算：总损耗算出来后，根据磁芯的散热面积和热阻来估算温升。小功率电源变压器温升一般控制在40到50度以内，具体要看绝缘等级和应用环境。如果温升太高，要么换大一点的磁芯，要么降磁通密度，要么用更好的线材。

第七步：工艺和结构注意事项

三、追问环节

追问1：为什么反激变压器必须加气隙？正激变压器要不要加？

反激变压器加气隙有两个原因。第一个是储能，反激在开关管导通时把能量储存在变压器的磁场里，关断时再传送到副边。没有气隙的话，铁氧体磁芯的磁阻很小，很小的电流就会让磁通密度饱和，储存不了多少能量。第二个是防止饱和，反激变压器有直流偏磁成分（励磁电流的直流分量），加气隙可以使磁化曲线更平缓，不容易饱和。正激变压器因为磁通是双向对称变化的，没有直流偏置，所以一般不需要大气隙，有的正激变压器会加很小的气隙来防止偏磁，但跟反激的气隙不是一个概念。

追问2：气隙边缘效应是什么？有什么影响？

气隙边缘效应是指在气隙附近，磁通会向外扩散，也就是所谓的边缘磁通。这个现象会导致几个问题：第一，实际的有效磁芯截面积比几何截面积大一点，因为边缘磁通也参与了磁路，所以计算出来的气隙和实际需要的会有偏差。第二，边缘磁通会切割附近的绕组导线，产生额外的涡流损耗，使铜损增加。第三，边缘磁通向外辐射，可能增加EMI。气隙越大，边缘效应越明显。实际设计中，通常通过绕组和气隙保持一定距离、使用多股线等方式来减小边缘效应的影响。

追问3：反激变压器漏感太大有什么影响？怎么减小？

漏感太大的坏处很多：第一，开关管关断时漏感的能量会形成电压尖峰，击穿开关管或者增加RCD吸收电路的损耗，降低效率；第二，漏感和结电容振荡产生高频噪声，EMC更难通过；第三，漏感会影响能量传输，相当于降低了有效占空比。减小漏感的方法主要有：用三明治绕法，把原边分成两半夹着副边；绕组尽量绕得宽一些、薄一些，减小绕组高度；增加绕组之间的耦合；用铜箔绕制代替圆线；磁芯骨架窗口尽量宽而扁等。

追问4：怎么判断变压器有没有饱和？

最直接的方法是用示波器看原边电流波形。正常情况下，电流应该是线性上升的斜坡形状。如果快要饱和的时候，电流波形的顶部会向上翘，也就是di/dt变大了，因为电感量在减小。如果完全饱和了，电流会迅速飙升，变成一个很陡的尖峰，这时候就很危险了，可能会烧坏开关管。还可以用电流探针测实际的峰值电流，和设计值对比，如果实际电流比设计值大很多，就要怀疑是不是饱和了。另外变压器温度异常升高、有异音也是饱和可能的表现。

四、失分表达

五、准备动作

六、核心关键词

反激变压器 气隙计算 AP法 DCM/CCM 磁芯损耗 漏感 磁通密度 三明治绕法