高頻開關電源變壓器優(yōu)化設計分析

甘焯欣 佛山市愛威斯電源有限公司 廣東佛山 528000

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高頻開關電源變壓器優(yōu)化設計分析

甘焯欣 佛山市愛威斯電源有限公司 廣東佛山 528000

【文章摘要】

當今電源技術不斷發(fā)展，開關電源的主要研究方向與發(fā)展趨勢主要是高頻化以及高功率密度化。而開關電源的最核心部件便是變壓器，而且伴隨著不斷提高的頻率與功率，電源開關對電源系統(tǒng)性能產生日益重要的影響。因此，研究對高頻開關電源變壓器并對其進行優(yōu)化設計是今后開關電源關鍵。本文主要圍繞高頻開關電源變壓器的工作原理以及優(yōu)化設計展開，希望通過本文能夠加深我們對于高頻開關變壓器的了解。

【關鍵詞】

高頻開關電源變壓器;工作原理;優(yōu)化設計

電源是各種電子設備必不可少的組成部分，它對于確保設備的正常運行起著非常關鍵的作用。同樣，開關電源的核心部件是開關電源變壓器，他能夠對能量進行轉換以及傳輸，并且開關電源變壓器的開關電源主要的體積與重量占有者，同時也是發(fā)熱源；實現(xiàn)開關電源的小型輕量，平面智能等目標，開關電源的高頻化尤為重要。這就是我們所要研究的課題。

1 高頻開關電源變壓器的主要構成以及分類

從廣義上來說，凡以半導體功率的開關器件為開關管，經(jīng)對開關管進行高頻開通以及關斷控制，會將電能形態(tài)轉化為其他電能形態(tài)裝置，這就是所謂的開關轉換器。用開關轉換器作為主要的組成部件，以閉環(huán)自動控制來穩(wěn)定它的輸出電壓，并且在電路中增加保護環(huán)節(jié)電源，此為開關電源。若用高頻DC/DC轉換器作為開關電源工作時的開關轉換器則就成為高頻開關電源。

高頻開關電源基本的路線是由開關型的功率變換器，整流濾波電路，交流直線轉換電路以及控制電路組成。高頻開關電源變壓器分類方式：

(1)按照驅動方式的不同可以分為他激式和自激式

(2)按照電路的拓撲結構可以分為隔離式和非隔離式；前者包括正激式，反激式與半橋式，全橋式，推挽式；后者包括降壓型與升壓型等

(3)按照輸出輸入間是否有著電器隔離，可將其分為隔離式與非隔離式。

(4)按照DC轉換器/DC開關條件，可將其分為硬開關以及軟開關。

2 高頻開關電源變壓器優(yōu)化設計

2.1設計參數(shù)

高頻變壓器的設計參數(shù)之間相互依存和相互制約，因而在設計時我們應該對各參數(shù)進行合理折中，根據(jù)應用場合的不同，應當首先去滿足那些占支配地位的影響因素，之后再權衡其他參數(shù)的影響。由于參數(shù)間的相互依存與制約，在設計時將所有參數(shù)都達到最佳是很難做到的，例如，變壓器效率與體積之間的矛盾，漏感與分布電容不能同時減小等。因此，在優(yōu)化設計的過程中，我們選取了三個相對重要的參數(shù)進行分析。

2.1.1溫升

在變壓器工作的過程中，鐵芯以及繞組中的損耗會產生熱量，使得變壓器的溫度升高，同時這些熱量會通過輻射與對流的方式在周圍環(huán)境中進行傳遞。我們應該對溫升加以控制，從而防止繞組被燒，磁芯的性能下降和變壓器熱擊穿等問題的出現(xiàn)。在變壓器的溫升計算中，一般會把磁芯和繞組的損耗合在一起，并且假設熱量經(jīng)過磁芯與繞組后整個的表面積會均勻消散。

2.1.2分布參數(shù)

漏感與分布電容是高頻變壓器的主要分布參數(shù)，分布參數(shù)在高頻下對開關電源性能的影響十分重要。對于開關式的變換器，漏感能夠導致電壓尖峰，對電路中的部分器件產生不必要的損壞，而分布電容則會引起電流尖峰并且延長充電的時間，會對開關和二極管造成較大的損耗，從而使變壓器的效率以及可靠性降低，所以，在此種工作模式下，我們會盡可能減小變壓器的分布參數(shù)；而對于諧振式的變換器，可以吸收和利用變壓器分布參數(shù)，可全作為諧振參數(shù)或者其中一部分，因而在這種模式下，應該準確設計分布電容與漏感的值。

2.1.3損耗與效率

我們把輸入功率和輸出功率之差作為變壓器功率損耗，將其分為兩個分量：磁芯損耗與繞組損耗。在額定電壓運行下，鐵損一般不會隨著負載電流的變化而變化，因而鐵損通常也稱為不變損耗；若忽略了勵磁電流，銅損與負載電流的平方會成正比例關系，因而銅損也稱為可變損耗。對變壓器分別進行短路試驗以及空載實驗，分別測得在額定電壓下鐵損耗以及額定負載下銅損耗，其中，鐵損在正常工作時保持不變，銅損則會隨著負載的變化而變化。

2.2優(yōu)化目標

高頻開關電源變壓器優(yōu)化的目標是使變壓器體積更小，重量更輕，頻率更高，同時能夠保證溫升，分布參數(shù)以及絕緣滿足設計基本要求。為了實現(xiàn)變壓器的效率最大化，在設計的過程中應該遵循兩個基本的原則：首先保證變壓器的銅損與鐵損相等；其次，保證變壓器在初次繞組時的損耗相等；同時為實現(xiàn)變壓器的體積縮小的目標，我們應該盡量采取采用合適的磁芯與繞組結構。

2.3優(yōu)化設計方法

納米晶帶材的可用磁心結構有矩形與環(huán)形兩種，當磁心結構確定時，依據(jù)變壓器指定工作條件，初級繞組匝數(shù)以及繞組結構決定著變壓器的磁芯截面積，繞組尺寸和磁心的窗口面積，即初級繞組匝數(shù)以及次級繞組的層數(shù)決定著變壓器的損耗，溫升以及分布參數(shù)，體積重量。所以，對于矩形與環(huán)形這兩種磁心結構，通過對不同層次和匝數(shù)下變壓器的體積重量，損耗等進行比較，從而對高頻開關電源變壓器采取更優(yōu)的設計方案。

通過分析，在變壓器的功率相同的情況下，矩形磁心相對環(huán)形磁心會更加緊湊，原因有兩個方面，一方面是因為環(huán)形變壓器會占用部分磁心以使變壓器固定，而矩形變壓器則可以利用下側磁心來固定變壓器；另一方面是環(huán)形變壓器的繞組內側長度降低了磁心窗口利用率，從而變壓器的中心會出現(xiàn)較大的冗余空間而矩形變壓器的磁心窗口利用率則不會受到影響。

3 結束語

開關電源是一種直流穩(wěn)壓電源，它具有效率高，發(fā)熱量低，重量輕，體積小以及性能較為穩(wěn)定的特點，如今廣泛應用在工業(yè)、軍事電子設備等各個領域，發(fā)展成為現(xiàn)代電子設備必不可少的重要組成部分，近些年來，成為許多國家研究的熱點問題，尤其是發(fā)達國家對開關電源更加關注。由于開關電源是高頻變壓器的重要組成部件，因此當前對于高頻開關電源變壓器的研究與應用也是非常的多。盡管如此，當前由于我國技術等方面的原因，我國對于高頻開關電源變壓器的研究還有待進一步提高，存在的技術問題應進一步去解決；只有這樣我們才能不斷創(chuàng)新，趕超發(fā)達國家的技術水平。

【參考文獻】

[1]張占松，蔡宣三.《開關電源的原理與設計》.電子工業(yè)出版社.2004

[2]吳雪予.高頻開關電源的動態(tài)測試.磁性材料及器件，2001年6月