高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

王珍

摘 要：電源開(kāi)關(guān)在電源系統(tǒng)中的作用十分顯著，且近年來(lái)，技術(shù)的發(fā)展，使開(kāi)關(guān)電源逐漸向高頻方向發(fā)展，為了使變壓器能充分發(fā)揮它的主要功能，為電源傳輸和轉(zhuǎn)換高頻開(kāi)關(guān)電源所需要的能量，滿(mǎn)足人們對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的高要求，就要對(duì)其核心部件變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從變壓器的主要構(gòu)成和分類(lèi)入手，對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理地選取，確定優(yōu)化目標(biāo)，采取合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：高頻；開(kāi)關(guān)電源；變壓器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；

電源變壓器間接起著使電子設(shè)備正常工作的作用，如何對(duì)電源變壓器進(jìn)行優(yōu)化，使開(kāi)關(guān)電源的高頻化與高功率密度化得到有效體現(xiàn)，這是相關(guān)人員應(yīng)該研究的。本文主要針對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

一.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的主要概況

1、高頻開(kāi)關(guān)電源的形成

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器就是借助于開(kāi)關(guān)管，對(duì)其的開(kāi)合狀態(tài)進(jìn)行高頻控制，主要目的是使電能的形態(tài)適用于開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)管一般來(lái)說(shuō)具備的是半導(dǎo)體功率。開(kāi)關(guān)電源是將電源轉(zhuǎn)換器作為關(guān)鍵構(gòu)件，將其輸出電壓控制在一定范圍內(nèi)，并對(duì)電路起到一定的保護(hù)作用。在開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行工作時(shí)，可以借助于高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器，使開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器具備高頻化，這就形成了高頻開(kāi)關(guān)電源。

2、高頻開(kāi)關(guān)電源的主要構(gòu)成

有四部分，分別是開(kāi)關(guān)型功率變換器，整流濾波電路，交流直線轉(zhuǎn)換電路以及控制電路[1]。

3、變換器的分類(lèi)方式

分類(lèi)方式有五種，其一是按驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類(lèi)，主要是自激式和他激式。其二是依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，主要是隔離式和非隔離式。而隔離式又分為正、反激式，全、半橋式，推免式，非隔離式又分為升、降壓型。其三是根據(jù)輸入輸出間的電器隔離有無(wú)情況，分為隔離式和非隔離式。其四是按照DC轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)條件分為軟、硬開(kāi)關(guān)兩種。其五根據(jù)電路組成可以分為諧振型和非諧振型。

4、變壓器的主要構(gòu)成

變壓器的主要結(jié)構(gòu)就是磁芯和繞組。磁芯的工作狀態(tài)有兩種，一種是雙極性，一種是單極性，這兩種工作狀態(tài)的出現(xiàn)和輸入高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的波形有關(guān)[2]。磁芯在變壓器中發(fā)揮作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生損耗，經(jīng)研究，這些損耗分別是磁滯損耗，渦流損耗以及剩余損耗。繞組的損耗則主要是直流和交流狀態(tài)下的損耗。為了減小繞組的損耗，就要對(duì)組成繞組的繞線材料進(jìn)行選擇，避免選擇細(xì)導(dǎo)線，將電流密度控制在滿(mǎn)足要求的范圍內(nèi)，對(duì)導(dǎo)線直徑也應(yīng)嚴(yán)格要求，使其大小適中。

二.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)參數(shù)選取

在變壓器發(fā)揮作用前，要對(duì)其的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些參數(shù)之間存在制約，并不能同時(shí)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，比如變壓器的規(guī)模大小和功率、漏感和分布電容等，所以在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，先要考慮適合此種場(chǎng)合的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于其他相互依存的參數(shù)稍后考慮。高頻變壓器需要設(shè)計(jì)的參數(shù)有很多，文章主要選取影響力比較大的參數(shù)進(jìn)行分析，主要有三方面。

其一溫升。變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，會(huì)使得內(nèi)部的鐵芯不能保持原有的性能，使繞組有燒焦的味道，這是因?yàn)檫@些部件在運(yùn)行時(shí)會(huì)摩擦生熱，傳遞給變壓器，使其本身成為熱源，還會(huì)通過(guò)輻射和對(duì)流，使周?chē)沫h(huán)境受到溫升的影響，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使變壓器產(chǎn)生熱擊穿問(wèn)題，對(duì)變壓器的使用周期造成威脅[3]。相關(guān)人員在意識(shí)到溫升的后果，就要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制，將相關(guān)部件產(chǎn)生的熱量集中到一起，對(duì)其進(jìn)行集中處理，使優(yōu)化處理后的熱量得到有效分散，不會(huì)對(duì)變壓器本身以及周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生熱影響。

其二是分布參數(shù)。分布參數(shù)主要包括漏感和分布電容，這兩者對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器產(chǎn)生不同程度的損壞。不同種類(lèi)的變換器，對(duì)于分布參數(shù)的處理方式不同，可以將開(kāi)關(guān)式的變換器作為研究對(duì)象，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，漏感能使電路中的電壓在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，一直到峰值，作用于電路中的相關(guān)器件，這些器件沒(méi)有充足的反應(yīng)時(shí)間，從而導(dǎo)致其不能維持原有的功能；分布電容會(huì)在短時(shí)間內(nèi)，促使電流急劇增大到峰值，在降低充電效率的同時(shí)，使開(kāi)關(guān)和二極管的使用壽命遭到威脅，并不能完全發(fā)揮原有的功能[4]。所以為了使變壓器的質(zhì)量受到的影響小一些，要對(duì)分布參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，可以使其盡可能地減小，兩者在實(shí)際的變壓器運(yùn)行中，屬于相互作用和相互制約的，不能同時(shí)減小，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要慎重選擇要減小的參數(shù)值。對(duì)于諧振式變換器，就可以直接對(duì)分布參數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種變換器可以將分布參數(shù)吸收為諧振參數(shù)的一部分，會(huì)對(duì)其進(jìn)行利用。

其三是損耗與效率。變壓器在正常工作時(shí)，會(huì)消耗部分功率，這就是輸入功率和輸出功率不對(duì)等的原因，損耗的功率主要作用于磁芯和繞組，組成變壓器的金屬有鐵和銅，在不同的條件下，產(chǎn)生的損耗變化也有所差異。通過(guò)變壓器的短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)就可證明這一結(jié)論，為鐵損提供額定電壓，測(cè)量這個(gè)條件下，鐵損的變化，發(fā)現(xiàn)其和負(fù)載電流無(wú)關(guān)，不會(huì)發(fā)生損耗程度的變化，相反，銅在額定負(fù)載條件下，其損耗會(huì)因負(fù)載不同，產(chǎn)生不同程度的損耗，一般和電流的平方呈正相關(guān)。

2、優(yōu)化目標(biāo)

對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器進(jìn)行優(yōu)化，主要目的就是使其原有的性能得到完善，使其整體規(guī)模變小，重量減輕，高頻化和高功率密度化性能更顯著，還要使變壓器的各種相關(guān)參數(shù)得到合理的設(shè)置，總之就是使變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的核心地位得到體現(xiàn)，使其對(duì)開(kāi)關(guān)電源的作用力更大。確立了具體的優(yōu)化目標(biāo)，就要充分考慮影響目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的因素，分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如為了使其效率達(dá)到最大，就要使變壓器的繞組初次發(fā)揮作用時(shí)的損耗程度得到控制，銅損和鐵損是等同的。為了使變壓器的體積和重量便于攜帶，對(duì)組成變壓器的結(jié)構(gòu)磁芯與繞組要慎重合理選擇。

3、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

磁芯和繞組作為變壓器的主要構(gòu)件，不同的表現(xiàn)形態(tài)對(duì)于變壓器的性能影響不同，為了使變壓器得到有效優(yōu)化，就要對(duì)不同狀態(tài)下的構(gòu)件進(jìn)行比較選擇。首先是磁芯結(jié)構(gòu)，磁芯結(jié)構(gòu)主要有矩形和環(huán)形兩種，在這兩種形態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合變壓器作用的電子設(shè)備種類(lèi)，對(duì)初級(jí)繞組匝數(shù)和繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)置選擇，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懼判窘孛娣e的大小，繞組尺寸以及磁芯窗口面積的控制情況[5]。所以在進(jìn)行變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，在保證進(jìn)行繞組的匝數(shù)和層數(shù)不同的前提條件下，比較變壓器的體積、重量和損耗程度，選出最優(yōu)方案。

三.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)矩形磁芯相比環(huán)形磁芯在等同的條件下，會(huì)有不同的表現(xiàn)，前者表現(xiàn)更為緊湊，原因有兩方面。其一是變壓器在作用時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行固定，環(huán)形磁芯組成的變壓器會(huì)占用部分磁芯，而矩形變壓器則是借助于下側(cè)磁芯。其二兩種形態(tài)的變壓器的繞組內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度對(duì)于磁芯窗口的影響不同，環(huán)形變壓器因?yàn)橛休^大的冗余空間，使得磁芯窗口不能完全發(fā)揮它的功能，而矩形變壓器的磁芯窗口則不受影響，還是會(huì)得到有效利用。

結(jié)語(yǔ)

信息化時(shí)代，各種功能的電子設(shè)備層出不窮，而這些電子設(shè)備的正常運(yùn)行，需要借助高頻開(kāi)關(guān)電源，如何使開(kāi)關(guān)電源更加高頻化和高功率密度化，如何使其更加便于攜帶，就要對(duì)電源開(kāi)關(guān)的變壓器的各種參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)組成變壓器的磁芯與繞組進(jìn)行材料和形態(tài)的選擇，以使變壓器得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量提供保障。

參考文獻(xiàn)：

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