高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馮立超

摘 要：文章以開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用背景和現(xiàn)狀為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器進(jìn)行了多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括磁芯損耗分析、繞組損耗分析、損耗與效率計(jì)算、分布參數(shù)的優(yōu)化等，為高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的相關(guān)研究提供有益的借鑒。

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

開(kāi)關(guān)電源變壓器是開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)，也是決定開(kāi)頭電源性能的關(guān)鍵部件。提高開(kāi)關(guān)電源的頻率是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源小型化、輕型化、平面化和智能化的重要途徑。然而，我國(guó)市場(chǎng)上的開(kāi)關(guān)電源變壓器產(chǎn)品多以0.3 MHz以下頻率為主[1]，與國(guó)外的水平還有很大的差距，嚴(yán)重制約了我國(guó)電子產(chǎn)品小型輕量化的發(fā)展進(jìn)程。為此，本文對(duì)開(kāi)關(guān)電源變壓器的原理和優(yōu)化等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，這對(duì)我國(guó)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及技術(shù)瓶頸

1.1國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

20世紀(jì)60年代以前，電子產(chǎn)品中的電源均采用線(xiàn)性電源，這種電源由于原理的局限，工作損耗和體積重量都很大，后來(lái)逐漸被開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式的直流穩(wěn)壓電源所代替[2]。開(kāi)關(guān)電源的集中研究始于20世紀(jì)末.開(kāi)關(guān)電源當(dāng)時(shí)是以脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）方式的DC/DC變換器研究走進(jìn)人們的視野的。在半導(dǎo)體和高頻磁性材料等新興材料問(wèn)世后，開(kāi)關(guān)電源的頻率很快又增長(zhǎng)到了20-50 kHz的數(shù)量級(jí)。目前國(guó)外0.5-3 MHz開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)市場(chǎng)化[3]。然而，我國(guó)自主研發(fā)的開(kāi)關(guān)電源變壓器產(chǎn)品仍以0.3 MHz以下頻率為主，高頻開(kāi)關(guān)電源的研究勢(shì)在必行。

1.2開(kāi)關(guān)電源技術(shù)瓶頸

盡管開(kāi)關(guān)電源在近年來(lái)有了跨躍式的發(fā)展，但隨著其頻率和功率密度的進(jìn)一步提高，變壓器磁芯和繞組的損耗和損耗問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，同時(shí)漏感和分布電容等現(xiàn)象也制約了開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)一步發(fā)展。因此，近年來(lái)相關(guān)學(xué)者又把研究重點(diǎn)放到了高頻變壓器漏感和分布電容的計(jì)算和抑制上來(lái)，從而出現(xiàn)了一系列先進(jìn)的軟磁材料，并發(fā)展了有限元等仿真方法，使高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器又有了新的發(fā)展勢(shì)頭剛。

2 高頻開(kāi)關(guān)電源理論基礎(chǔ)

2.1高頻開(kāi)關(guān)電源

高頻開(kāi)關(guān)電源（ Switching Mode Power Supply，SMPS）是一種高頻電能轉(zhuǎn)換裝置，可以將一個(gè)位準(zhǔn)電壓通過(guò)不同的方式轉(zhuǎn)換為期望的電壓或電流。其核心原理是通過(guò)MOSFET或IGBT等電子元器件的高頻狀態(tài)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的調(diào)節(jié)。高頻開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)各不相同，但從原理上看都是由主電路、控制電路、檢測(cè)電路和輔助電源4部分構(gòu)成的[5]。

2.2串聯(lián)諧振電路

高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)方式有硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)兩種。其中前者多采用PWM控制方式，由于頻繁的通斷會(huì)產(chǎn)生額外的開(kāi)關(guān)損耗，并且損耗值與開(kāi)關(guān)頻率成正比，另外還會(huì)產(chǎn)生分布電感和寄生電容等附加損耗，嚴(yán)重限制了開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。軟開(kāi)關(guān)利用諧振原理使電源在通斷切換過(guò)程中并不承受電壓，因此大大減小了不必要的耗損。

2.3高頻變壓器

高頻變壓器通常是指工作頻率在中頻以上的電源變壓器，它是開(kāi)關(guān)電源的核心組件，其輸出電壓是由各繞組線(xiàn)圈的匝數(shù)比例決定的，輸出功率則與工作頻率有很大的關(guān)系。開(kāi)關(guān)電源多采用半橋式功率轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，兩橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件以高頻進(jìn)行輪流導(dǎo)通，從而形成高頻脈沖波，再由高頻變壓器降壓即可輸出低壓交流電。變壓器的漏感和分布電容是影響其性能的主要因素。

3 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

3.1磁芯損耗分析

高頻變壓器所采用的磁芯材料必須具備低損耗、穩(wěn)定性好、溫度特性?xún)?yōu)良、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高等特性，業(yè)內(nèi)最常見(jiàn)的磁芯材料包括軟磁鐵氧體、坡莫合金和非晶態(tài)合金3種，其中應(yīng)用最廣的當(dāng)數(shù)錳鋅鐵氧體。該種材料具有較高的磁導(dǎo)率和居里溫度、溫度特性穩(wěn)定且具有明顯的負(fù)溫度特性，可以較好地解決高頻變壓器的容量、損耗、體積、重量、散熱等一系列問(wèn)題。

從磁芯損耗上考慮，鑒于傳統(tǒng)的硅鋼和鐵氧體等損耗模型己不能滿(mǎn)足高頻領(lǐng)域的性能要求，可以采用低矩形比的新型鐵基納米晶合金，在串聯(lián)諧振電路單元中，通過(guò)把一個(gè)完整的充電周期切分為多個(gè)開(kāi)關(guān)子周期，由各子周期磁通密度的增量求出相應(yīng)的功率損耗，最后通過(guò)求和即可計(jì)算出磁芯在充電過(guò)程中的平均鐵損。

3.2繞組損耗分析

高頻變壓器的繞組損耗主要取決于繞組的直流電阻、電流有效值和交流電阻系數(shù)3個(gè)參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，繞組的交流電阻比直流電阻要高，這是因?yàn)槔@組中存在一定的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。因此，交流電阻系數(shù)又成為繞組損耗分析的重中之重。

高頻電流在相鄰的導(dǎo)線(xiàn)中流動(dòng)時(shí)，受磁效應(yīng)影響會(huì)使電流聚集在一側(cè)，相信導(dǎo)線(xiàn)越多，偏聚效應(yīng)越明顯，因此，對(duì)于繞組損耗來(lái)說(shuō)，鄰近效應(yīng)比趨膚效應(yīng)更為關(guān)鍵。在導(dǎo)線(xiàn)選用時(shí)，應(yīng)盡量選擇直徑小兩倍集膚深度的導(dǎo)線(xiàn)，或者通過(guò)小直徑、多股并繞的方式減少繞組損耗。

3.3參數(shù)優(yōu)化

3.3.1損耗與效率計(jì)算

變壓器在工作時(shí)，并不能把所有的輸入能量都轉(zhuǎn)化為有用的功率，總有一部分能量會(huì)被浪費(fèi)掉，這就是變壓器的損耗。損耗現(xiàn)象的直接結(jié)果就是導(dǎo)致變壓器的效率降低，性能下降。變壓器損耗由兩部分構(gòu)成，即磁芯損耗和繞組損耗。正常情況下，磁芯損耗P是保持不變的，但繞組損耗與負(fù)載電流的平方成正比。因此變壓器總損耗可表示為

假如不考慮次級(jí)電壓的變化，則變壓器輸出有功功率可表示為：

其中S2N為變壓器次級(jí)額定容量，COS（p2是變壓器功率因數(shù)。則變壓器的效率為：

對(duì)β求導(dǎo)即可求出變壓器最大效率。

3.3.2分布參數(shù)計(jì)算

對(duì)于高頻變壓器設(shè)計(jì)而言，分布參數(shù)應(yīng)包含漏感和分布電容兩個(gè)方面。漏感會(huì)產(chǎn)生沖擊電壓給變壓器帶來(lái)隱患，而分布電容則會(huì)產(chǎn)生沖擊電流并使充電周期加長(zhǎng)。它們共同給高頻變壓器施加了不良影響，降低器件的可靠性，因此需要通過(guò)計(jì)算來(lái)減少這兩個(gè)量的值。

考慮到最常采用的是同軸圓筒式繞組，假設(shè)線(xiàn)圈高度比層間距離大許多，線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)沒(méi)有外露并且是均勻分布的，則變壓器漏感L可表示為

其中，Ⅳ1代表初級(jí)繞組的總匝數(shù)，p代表繞組匝長(zhǎng)的平均值，h代表高度，Al2，△2k分別代（初次和次級(jí)繞組的層間間距，d1，d2k分別代表初級(jí)和次級(jí)繞組的線(xiàn)徑，m代表次級(jí)繞組層數(shù)。可見(jiàn)，要使L盡量變小，在制作變壓器時(shí)，可以盡量減小Nl，h，3個(gè)參數(shù)，或者盡量增大h。同時(shí)，繞組在磁心上的繞制工藝必須合理，可采用交替繞制方法，且達(dá)到高度均勻化。這樣即可實(shí)現(xiàn)高頻變壓器漏感的進(jìn)一步優(yōu)化。

下面討論分布電容的優(yōu)化方案。為了簡(jiǎn)化計(jì)算分布電容，本文把線(xiàn)圈展開(kāi)等效成平板，從而將圓柱形電容轉(zhuǎn)化為平板電容，即折算回初級(jí)的總分布電容Cy可描述為：

其中，n為變比，s。，s，分別為真空介電常數(shù)和材料介電常數(shù)，△，表示絕緣間距。

可見(jiàn)，要使Cr盡量減小，在制作變壓器時(shí)，應(yīng)盡量減小材料介電常數(shù)和繞組面積，盡量增大繞組間距，工藝上盡量使用分段分層的繞制方式。這樣即可實(shí)現(xiàn)高頻變壓器分布電容的進(jìn)一步優(yōu)化。

4 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的應(yīng)用

基于本文的分析，納米晶帶材符合磁心材料的選用標(biāo)準(zhǔn)，其常用的形狀一般有矩形和環(huán)形兩種。為了得到優(yōu)化參數(shù)，本文采用Matlab軟件對(duì)磁心的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，矩形磁心采用6匝初級(jí)繞組和三層繞制的次級(jí)繞組時(shí)體積、總耗損和分布電容都達(dá)到了最小，較易達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王小波.開(kāi)關(guān)電源中高頻變壓器的加工工藝[J]電源世界，2012 （6）：58-59.

[2]甘焯欣.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]電子制作，2016 （2）：28.

[3]張學(xué)廷.如何進(jìn)一步優(yōu)化高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015 （3）：122-123

[4]劉毅力，苑博.高頻變壓器分布參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（2）：141-144.

[5]劉燕，瞿超，魯明麗.基于TOP243Y的多路輸出開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]功能材料與器件學(xué)報(bào)，2014 （1）：42-47.