高頻變壓器設(shè)計(jì)方法

石油人在北京

高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。在高頻鏈的硬件電路設(shè)計(jì)中，高頻變壓器是重要的一環(huán)。


設(shè)計(jì)高頻變壓器首先應(yīng)該從磁芯開始。開關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時，通過不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比較小，常使用在開關(guān)電源中。

高頻變壓器的設(shè)計(jì)通常采用兩種方法[3]：第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP（AP=AW×Ae，稱磁芯面積乘積），根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

注意：
1）設(shè)計(jì)中，在最大輸出功率時，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號時產(chǎn)生失真。
2）在瞬變過程中，高頻鏈漏感和分布電容會引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩，使損耗增加，嚴(yán)重時會造成開關(guān)管損壞。同時，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時，應(yīng)考慮分布電容的影響，降低分布電容有利于抑制高頻信號對負(fù)載的干擾。對同一變壓器同時減少分布電容和漏感是困難的，應(yīng)根據(jù)不同的工作要求，保證合適的電容和電感。

單片開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高頻變壓器是單片開關(guān)電源的核心部件，鑒于這種高頻變壓器在設(shè)計(jì)上有其特殊性，為此專門闡述降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法，可供高頻變壓器設(shè)計(jì)人員參考。

單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。在1994～2001年，國際上陸續(xù)推出了TOtch、TOtch-Ⅱ、TOtch-FX、TOtch-GX、Tintch、Tintch-Ⅱ等多種系列的單片開關(guān)電源產(chǎn)品，現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。

高頻變壓器是開關(guān)電源中進(jìn)行能量儲存與傳輸?shù)闹匾�部件，單片開關(guān)電源中高頻變壓器性能的優(yōu)劣，不僅對電源效率有較大的影響，而且直接關(guān)系到電源的其它技術(shù)指標(biāo)和電磁兼容性（EMC）。為此，一個高效率高頻變壓器應(yīng)具備直流損耗和交流損耗低、漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小等條件。

高頻變壓器的直流損耗是由線


圈的銅損耗造成的。為提高效率，應(yīng)盡量選擇較粗的導(dǎo)線，并取電流密度J=4～10A／mm2。

高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導(dǎo)線時總是趨向于從表面流過，這會使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)高于銅電阻。高頻電流對導(dǎo)體的穿透能力與開關(guān)頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導(dǎo)線半徑不得超過高頻電流可達(dá)深度的2倍。可供選用的導(dǎo)線線徑與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。舉例說明，當(dāng)f=100kHz時，導(dǎo)線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應(yīng)，實(shí)際可用更細(xì)的導(dǎo)線多股并繞，而不用一根粗導(dǎo)線繞制。

在設(shè)計(jì)高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因?yàn)槁└杏�大，產(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高，漏極鉗位電路的損耗就愈大，這必然導(dǎo)致電源效率降低。對于一個符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級開路時初級電感量的1％～3％。要想達(dá)到1％以下的指標(biāo)，在制造工藝上將難于實(shí)現(xiàn)。減小漏感時可采取以下措施：

減小初級繞組的匝數(shù)NP；
增大繞組的寬度（例如選EE型磁芯，以增加骨架寬度b）；
增加繞組的高、寬比；
減小各繞組之間的絕緣層；
增加繞組之間的耦合程度。
電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)高頻變壓器是電源設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)，下面以反饋式電流不連續(xù)電源高頻變壓器為例，介紹一種電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：電源輸入交流電壓在180V~260V之間，頻率為50Hz，輸出電壓為直流5V、14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz。
設(shè)計(jì)步驟：
1、計(jì)算高頻變壓器初級峰值電流Ipp
2、求最小工作周期系數(shù)Dmin
3、計(jì)算高頻變壓器的初級電感值Lp
4、計(jì)算出繞組面積Aw和鐵心有效面積Ae的乘積Aw*Ae,選擇鐵心尺寸。
5、計(jì)算空氣間隙長度Lg
6、計(jì)算變壓器初級線圈Np
7、計(jì)算變壓器次級線圈Ns
高頻變壓器：整流、變壓
在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計(jì)中，由于磁心材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化，高頻化和高功率比已成為一個永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積，提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。

作為開關(guān)電源最主要的組成部分，高頻變壓器相對詿?車墓て當(dāng)溲蠱饔幸韻掠諾悖豪?錳?跆宀牧現(xiàn)瞥傻母咂當(dāng)溲蠱骶哂兇?恍?矢摺⑻寤?∏傻奶氐悖歡??車墓て當(dāng)溲蠱鞴ぷ髟?0Hz下，輸出相同功率時需要較大的截面積而導(dǎo)致變壓器體積龐大，不利于電源的小型化設(shè)計(jì)，而且電源轉(zhuǎn)換效率也低于開關(guān)電源。

電腦使用的開關(guān)電源一般采用半橋式功率轉(zhuǎn)換電路，工作時兩個開關(guān)三極管輪流導(dǎo)通來產(chǎn)生100kHz的高頻脈沖波，然后通過高頻變壓器進(jìn)行降壓，輸出低電壓的交流電。在這個電路中，開關(guān)管的最大電流對電源輸出功率的大小有一定的限制（通常應(yīng)用于300W電源的MOS管體積較大，有的電源甚至使用了耐流達(dá)到 10A的開關(guān)管），而高頻變壓器各個繞組線圈的匝數(shù)比例則決定了輸出電壓的多少，由于工作在很高的頻率下，對元件質(zhì)量的要求和線路的搭配有很高的要求。

抑制高頻變壓器的音頻噪聲
高頻變壓器EE或EI型磁芯之間的吸引力，能使兩個磁芯發(fā)生位移；繞組電流相互間的引力或斥力，也能使線圈產(chǎn)生偏移。此外，受機(jī)械振動時能導(dǎo)致周期性的形變。上述因素均會使高頻變壓器在工作時發(fā)出音頻噪聲。10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為 10kHz～20kHz。

為防止磁芯之間產(chǎn)生相對位移，通常以環(huán)氧樹脂作膠合劑，將兩個磁芯的3個接觸面（含中心柱）進(jìn)行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因?yàn)檫@無法將音頻噪聲減至最低，況且膠合劑過多，磁芯在受機(jī)械應(yīng)力時還容易折斷。國外最近采用一種特殊的“玻璃珠” （glassbeads）膠合劑，來粘合EE、EI等類型的鐵氧體磁芯，效果甚佳。這種膠合劑是把玻璃珠和膠著物按照1：9的比例配制而成的混合物，它在 100℃以上的溫度環(huán)境中放置1h即可固化。其作用與滾珠軸承有某種相似之處，固化后每個磁芯仍能獨(dú)立地在小范圍內(nèi)產(chǎn)生形變或移位，而總體位置不變，這就對形變起到了抑制作用。用玻璃珠膠合劑粘接的高頻變壓器內(nèi)部。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5dB。高頻變壓器的屏蔽

為防止高頻變壓器的泄漏磁場對相鄰電路造成干擾，可把一銅片環(huán)繞在變壓器外部，該屏蔽帶相當(dāng)于短路環(huán)，能對泄漏磁場起到抑制作用，屏蔽帶應(yīng)與地接通。

基本知識
將兩個線圈*近放在一起，當(dāng)一個線圈線中的電流變化時，穿過另一線圈的磁通會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使該線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電勢，這就是互感現(xiàn)象。變壓器就是根據(jù)互感原理制成的。

按工作頻率分，有高頻變壓器、中頻變壓器、低頻變壓器、脈沖變壓器。如收音機(jī)的磁性天線，它是高頻；在收音機(jī)的中頻放大級，用的是中頻的，俗稱“中周”；低頻的種類較多，有電源變壓器、輸入變壓器等；電視機(jī)的行輸出變壓器，也稱“高壓包”，它是一種脈沖變壓器。

變壓比、額定功率、溫升、效率、空載電流、絕緣電阻均為其主要技術(shù)參數(shù)。
在電路中電壓變換、電流變換、傳遞功率、阻抗匹配、或阻抗變換等用途。
電子變壓器在電源技術(shù)中的作用
作用
電子變壓器和半導(dǎo)體開關(guān)器件，半導(dǎo)體整流器件，電容器一起，稱為電源裝置中的4大主要元器件。它在電源裝置中的作用：
起電壓和功率變換作用；
起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號作用；
起傳遞脈沖、驅(qū)動和觸發(fā)信號作用；
起原邊和副邊絕緣隔離作用；
起單相變?nèi)�相或三相變單相作用，起改變輸出相位作用�?font color="black">
起改變輸出頻率作用；
起改變輸出阻抗與負(fù)載阻抗相匹配作用；
起穩(wěn)定輸出電壓或電流作用，起調(diào)節(jié)輸出電壓作用；
起交流和直流濾波作用；
起抑制電磁干擾作用，起抑制噪聲作用；
起吸收浪涌電流作用，減緩電流變化速率；
起儲能作用，起幫助半導(dǎo)體開關(guān)換向作用；
起開關(guān)作用；
起調(diào)節(jié)電感作用；
起變換電壓、電流或脈沖檢測信號。

從以上的列舉可以看出，不論是直流電源，交流電源，還是特種電源，都離不開電子變壓器。有人把電源界定為經(jīng)過高頻開關(guān)變換的直流電源和交流電源。在介紹軟磁電磁元件在電源技術(shù)中的作用時，往往舉高頻開關(guān)電源中的各種電磁元件為例證。同時，在電子電源中使用的軟磁電磁元件中，各種變壓器占主要地位，因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表，稱它們?yōu)椤半娮幼儔浩鳌薄?font color="black">

繞制變壓器的材料
要繞制一個變壓器我們必須對有關(guān)的材料要有一定的認(rèn)識，下面為你提供了這方面的知識。

1、鐵心材料：
使用的鐵心材料主要有鐵片、低硅片，高硅片，的鋼片中加入硅能降低鋼片的導(dǎo)電性，增加電阻率，它可減少渦流，使其損耗減少。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片，變壓器的質(zhì)量所用的硅鋼片的質(zhì)量有很大的關(guān)系，硅鋼片的質(zhì)量通常用磁通密度B來表示，一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000，高硅片為12000-16000。
2、通常用的材料有
漆包線，沙包線，絲包線，最常用的漆包線。對于導(dǎo)線的要求，是導(dǎo)電性能好，絕緣漆層有足夠耐熱性能，并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下最好用Q2型號的高強(qiáng)度的聚脂漆包線。
3、絕緣材料
在繞制過程中，線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離，均要使用絕緣材料，一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作，層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離，繞阻間可用黃臘布作隔離。
4、浸漬材料：
繞制好后，還要過最后一道工序，就是浸漬絕緣漆，它能增強(qiáng)變壓器的機(jī)械強(qiáng)度、提高絕緣性能、延長使用壽命，一般情況下，可采用甲酚清漆作為浸漬材料。

高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則
高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品，自然帶有商品的屬性，因此其設(shè)計(jì)原則和其他商品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重性能和效率，有時可能偏重價格和成本。現(xiàn)在，輕、薄、短、小，成為它的發(fā)展方向，是強(qiáng)調(diào)降低成本。其中成為一大難點(diǎn)的高頻電源變壓器，更需要在這方面下功夫。如果能認(rèn)真考慮一下它的設(shè)計(jì)原則，追求更好的性能價格比，傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本，市場的價值規(guī)律是無情的！許多性能好的產(chǎn)品，往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產(chǎn)品最后被成本否決。一些“節(jié)能不節(jié)錢”的產(chǎn)品為什么在市場上推廣不開值得大家深思。
產(chǎn)品成本，不但包括材料成本，生產(chǎn)成本，還包括研發(fā)成本，設(shè)計(jì)成本。因此，為了節(jié)約時間，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對它的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數(shù)據(jù)，對窗口填充程度，繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案，有什么不好？為什么一定要按步就班地來回進(jìn)行推算和仿真，才不是概念錯誤？作者曾在20世紀(jì)80年代中開發(fā)高頻磁放大器式開關(guān)電源，以溫升最低為條件，對高頻電源變壓器進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于熱阻難以確定，結(jié)果與試制樣品相差甚遠(yuǎn)，不得不再次修正。現(xiàn)在有些公司的磁芯產(chǎn)品說明書中，為了縮短用戶設(shè)計(jì)的時間，有的列出簡化的設(shè)計(jì)公式，有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想，又推廣公司產(chǎn)品的雙贏行為，是完全符合市場規(guī)律的行為，絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問題是提供的參考數(shù)據(jù)，推薦的方案是否是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)？有沒有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些說法，都需要經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，才能站得住腳。

總之，千萬記住：它是一種產(chǎn)品（即商品），設(shè)計(jì)原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場的考驗(yàn)