一種高效低耗開關變壓器設計分析

傅貴興/宜賓職業(yè)技術學院

一種高效低耗開關變壓器設計分析

傅貴興/宜賓職業(yè)技術學院

根據(jù)變壓器在開關電源中的作用和工作狀態(tài)，分析了在高頻情況下工作的開關變壓器能量損耗的原因，提出了高頻變壓器用鐵氧體磁芯設計方法，以及變壓器主要參數(shù)選擇和繞組繞制方法，解決了開關電源中變壓器如何節(jié)能降耗的問題，具有現(xiàn)實意義。

開關；變壓器；磁芯；繞組

0.引言

隨著電子信息技術的不斷發(fā)展，各類電子設備的電源系統(tǒng)在客觀上要求小化、輕量化和高可靠性，制約這個目標實現(xiàn)的根本技術就是開關電源高頻化技術。開關電源變壓器是開關電源的關鍵部件，是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹饕骷?，同時該器件又是開關電源體積和重量的主要占有者和發(fā)熱源。因此，要實現(xiàn)開電源的小型輕量化、低能耗化和高可靠性的目標，關鍵在于開關電源變壓器高頻環(huán)境下的設計問題。

1.開關變壓器工作情況

開關電源變壓器主要由鐵芯、繞組 、和絕緣部分組成。在現(xiàn)代的機械電子裝備中，有著各種形式的開關電源，為了節(jié)能降耗，在電路設計中采用工作頻率較高，耗散功率小的場效應管作為開關元件，工作在脈沖狀態(tài)，但是，采用傳統(tǒng)變壓器鐵芯，頻率升高又使變壓器的鐵損增加，發(fā)熱量加大，嚴重時容易損壞變壓器，解決這一問題的關鍵就是對對變壓器進行重新設計。

2.變壓器材料選擇

2.1 磁芯材料的選擇

設計高頻變壓器，選擇材料是關鍵的第一步，傳統(tǒng)開關電源變壓器鐵芯采用的的是硅鋼片疊裝而成，低頻下能很好的發(fā)揮作用，而在高頻下渦流增加，損耗加大。高頻變壓器磁芯一般使用鐵氧體材料比較理想。鐵氧體材料有較高磁導率，低的矯頑力，高的電阻率。較高磁導率使線圈就能承受較高的外加電壓，因此在輸出功率一定的情況下,可減輕磁芯體積。矯頑力低可以減少鐵損。鐵氧體材料分為硬磁和軟磁兩種材料，圖1和圖2為兩種磁性材料特性對比，硬磁材料磁滯回線面積大，鐵損相對也較大,軟磁鐵氧體磁滯回線面積很小，優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小,價格便宜,易加工成各種形狀的磁芯，磁致伸縮大、對溫度變化比較敏感。它適合高頻下使用，因此高頻變壓器一般采用鐵氧體軟磁材料磁芯。

圖1 硬磁性材料圖

圖2 軟磁性材料

2.2 材料滿足的要求

開關電源用鐵氧體磁性材料應滿足以下要求：

（1）具有較高的飽和磁通密度Bs和較低的剩余磁通密度Br磁通密度Bs的高低，對于變壓器和繞制結果有一定影響。從理論上講，Bs高，變壓器的繞組匝數(shù)可以減小，銅損也隨之減小。

（2）在高頻下具有較低的功率損耗，較高電源輸出效率，否則會導致磁芯發(fā)熱，波形畸變等不良后果。

采用磁芯變壓器產(chǎn)生的損耗主要銅損和磁芯損耗。如果在設計變壓器時，Bm選擇過低，繞組匝數(shù)過多，就會導致繞組發(fā)熱，并同時向磁芯傳輸熱量，使磁芯發(fā)熱。反之，若磁芯發(fā)熱為主體，也會導致繞組發(fā)熱。

選擇鐵氧體材料時，要求功率損耗隨溫度的變化呈負溫度系數(shù)關系。這是因為，假如磁芯損耗為發(fā)熱主體，使變壓器溫度上升，而溫度上升又導致磁芯損耗進一步增大，從而形成惡性循環(huán)，最終將使功率管和變壓器及其他一些元件燒毀。因此國內(nèi)外在研制功率鐵氧體時，必須解決磁性材料本身功率損耗負溫度系數(shù)問題，這也是電源用磁性材料的一個顯著特點。

（3）適中的磁導率

相對磁導率究竟選取多少合適呢!要根據(jù)實際線路的開關頻率來決定，一般相對磁導率為2000的材料，其適用頻率在300kHz以下，有時也可以高些，但最高不能高于500kHz。對于高于這一頻段的材料，應選擇磁導率偏低一點的磁性材料，一般為1300左右。

（4）材料的居里溫度

居里溫度是表示磁性材料失去磁特性的溫度，一般材料的居里溫度在200℃以上，但是變壓器的實際工作溫度不應高于80℃，這是因為在100℃以上時，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時的70％。因此過高的工作溫度會使磁芯的飽和磁通密度跌落的更嚴重。再者，當高于100℃時，其功耗已經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會導致惡性循環(huán)。對于變壓器材料選R2KB材料，其允許功耗對應的溫度已經(jīng)達到110℃，居里溫度高達240℃，滿足高溫使用要求。

3.新型開關線圈參數(shù)與繞法

高頻變壓器的線圈參數(shù)包括匝數(shù)、導線截面(直徑)、導線形式、繞組排列和絕緣安排。原邊繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定，匝數(shù)不能過多也不能過少。其值N按下式計算：

N1 = 0.225V1/( fBS )

副邊繞組的匝數(shù)多少由輸出電壓決定。近似計算可按N2= N1V2/V1,導線截面決定于通過繞組的電流密度。此外在考慮導線截面(直徑)的大小還要注意考慮漏感因素的影響。

開關變壓器繞制時，為盡量減小漏感，對于次級有二個及以上的繞組時，宜將初級線圈放置于兩個次級線圈的中間。高頻開關變壓器若原邊繞組電壓高,副邊繞組電壓低,可以采用副繞組靠近磁芯,接著繞反饋繞組,原繞組在最外層的繞組排列形式,這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排;如果要增加原和副繞組之間耦合,可以采用一半原繞組靠近磁芯,接著繞反饋繞組和副繞組,最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式,這樣有利于減少漏感。對于絕緣安排,首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。

4.結語

工作在高頻下的開關變壓器，為了提高效率，降低損耗，延長壽命，在設計時要充分考慮變壓器的工作條件，需要綜合考慮磁路材料，尺寸，繞制方法和絕緣等因素的影響，方能時開關變壓器工作在最佳狀態(tài)，從而使開關電源的質(zhì)量得以保證。

[1]王保全.實用電子變壓器材料器件手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2003.

[2]張忠仕，汪偉，陳文，李衛(wèi).開關電源變壓器磁芯氣隙量的計算[J].磁性材料及器件，2008，39（1）：53-56.

[3]尹克寧.變壓器設計原理[M].北京：中國電力出版社，2003.

[4]周志敏，紀愛華，周紀海.變壓器實用技術問答.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

According to the transformer in the role of switch power supply and working status, working under the condition of high frequency switch transformer is analyzed the cause of energy loss, put forward the design method of high frequency transformer with ferrite core, and the main parameter selection and transformer winding method, solve the problem of how to saving energy and reducing consumption of the transformer in the switching power supply, has the practical significance.

switch；transformer；Magnetic core；winding

傅貴興（1957-），男，四川宜賓人，宜賓職業(yè)技術學院，高級工程師，主要研究方向：機電設備控制技術與管理。