高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器改進(jìn)設(shè)計(jì)探討

摘 要：科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)揮背景下，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的研究開(kāi)始朝著高功率密度化會(huì)被高頻化的方向發(fā)展，作為其核心的變壓器設(shè)備也面臨著許多新的要求，需要進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以更好地適應(yīng)高頻開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用需求。本文從高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的結(jié)構(gòu)組成和類(lèi)型出發(fā)，對(duì)其改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：高頻開(kāi)關(guān)電源；變壓器；改進(jìn)設(shè)計(jì)

前言：新時(shí)期，社會(huì)對(duì)于電能的需求持續(xù)增長(zhǎng)，各類(lèi)電子設(shè)備在人們的日常工作和生活中得到了普及。作為電子設(shè)備中不可或缺的組成部分，電源是保證設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，而對(duì)于開(kāi)關(guān)電源，變壓器是核心部件，可以進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換與傳輸，想要提升高頻開(kāi)關(guān)電源的性能，就必須從變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)著眼。

1 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器結(jié)構(gòu)組成及類(lèi)型

廣義上，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器指所有利用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件作為開(kāi)關(guān)管，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開(kāi)通和關(guān)斷控制，促進(jìn)電能形態(tài)轉(zhuǎn)換的裝置。以開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器為核心，配合閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定，加上相應(yīng)的保護(hù)裝置，就構(gòu)成了開(kāi)關(guān)電源。高頻開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)單來(lái)講，就是利用高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器作為開(kāi)關(guān)電源工作中的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。

高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的結(jié)構(gòu)組成包括了整流濾波電路、開(kāi)關(guān)型功率變換器、交直流轉(zhuǎn)換電路和控制電路等，依照不同的分類(lèi)方式，可以將其分為多種不同的類(lèi)型：如果依照變壓器的驅(qū)動(dòng)方式，可以將高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器分成自激式和他激式；如果依照電路本身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同樣可以將其分為兩種，一是隔離式，包括了正激式、反激式、全橋式、半橋式以及推挽式等；二是非隔離式，包括了升壓型、降壓型等；如果依照開(kāi)關(guān)條件，可以將其分為硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)[1]。

2 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器而言，各種設(shè)計(jì)參數(shù)并非獨(dú)立存在，彼此之間存在相互依存和相互制約的關(guān)系，因此技術(shù)人員在對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行確定時(shí)，不能一概而論，也不能單純考慮某一個(gè)參數(shù)，而是必須針對(duì)所有的參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析，依照其本身的應(yīng)用場(chǎng)合及功能需求，有限滿(mǎn)足關(guān)鍵參數(shù)，然后在去考慮其他參數(shù)的影響?？紤]不同參數(shù)之間彼此依存和制約的關(guān)系，應(yīng)該適當(dāng)做好設(shè)計(jì)參數(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化工作，盡可能保證各項(xiàng)參數(shù)最優(yōu)化。但是實(shí)際上，很多參數(shù)都存在彼此矛盾的關(guān)聯(lián)，如變壓器效率與體積之間的矛盾、分布電容和漏感的矛盾等，想要保證設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的效果，可以從一些主要參數(shù)著眼：一是分布參數(shù)。對(duì)于高頻變壓器而言，漏感和分布電容都屬于非常重要的分布參數(shù)，其會(huì)在高頻下對(duì)開(kāi)關(guān)電源的性能產(chǎn)生巨大影響。在開(kāi)關(guān)式變換器中，漏感可以引發(fā)電壓尖峰問(wèn)題，導(dǎo)致電路中部分元器件的損壞，分布電容不僅會(huì)引發(fā)電流尖峰，還會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間的延長(zhǎng)，造成開(kāi)關(guān)和二極管損耗，繼而降低變壓器運(yùn)行的效率及可靠性。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)該盡可能減小變壓器分布參數(shù)，如果采用的是諧振式變換器，能夠?qū)ψ儔浩鞯姆植紖?shù)進(jìn)行吸收和利用，將其作為諧振參數(shù)的部分或全部，要求設(shè)計(jì)人員必須做好分布電容和漏感的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)；二是溫升。變壓器運(yùn)行過(guò)程中，鐵芯和繞組會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題，導(dǎo)致變壓器溫升，產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)對(duì)流和輻射在周邊環(huán)境中傳遞。從保證設(shè)備運(yùn)行安全的角度，應(yīng)該對(duì)溫升問(wèn)題進(jìn)行有效控制，避免過(guò)高的溫度燒毀變壓器繞組，或者導(dǎo)致變壓器熱擊穿等故障。在針對(duì)變壓器溫升進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，可以將磁芯與繞組的損耗結(jié)合在一起，而為了方便計(jì)算，可以假定熱量在經(jīng)過(guò)磁芯及繞組后，會(huì)在表面均勻散失；三是損耗及效率。輸入輸出功率的差值通常被稱(chēng)為變壓器功率損耗，包含了磁芯損耗和繞組損耗兩部分。當(dāng)運(yùn)行電壓固定不變的情況下，變壓器鐵損并不會(huì)順著負(fù)載電流的波動(dòng)變化，因此其一般會(huì)被稱(chēng)為不變損耗，在忽略勵(lì)磁電流的情況下，銅損與負(fù)載電流的平方成正比，這也使得銅損被稱(chēng)為可變損耗。針對(duì)變壓器進(jìn)行相應(yīng)的短路測(cè)試以及空載試驗(yàn)，可以看出，電壓額定時(shí)的鐵損在變壓器正常工作時(shí)基本保持不變，負(fù)載額定時(shí)的銅損則會(huì)隨著復(fù)雜的變化而隨之改變[2]。

2.2改進(jìn)目標(biāo)

在對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該設(shè)置明確的優(yōu)化目標(biāo)，即在保持變壓器性能的前提下，縮減變壓器的體積和質(zhì)量，提升其頻率，使得各項(xiàng)參數(shù)能夠滿(mǎn)足變壓器運(yùn)行需求。為了能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器效率的最大化，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要遵循兩個(gè)基本原則，一是確保變壓器鐵損和銅損相等，二是確保變壓器初次繞組時(shí)損耗相等；為了縮減變壓器體積，應(yīng)該在保證基本性能的前提下，盡量選擇恰當(dāng)?shù)淖儔浩鞔判炯袄@組結(jié)構(gòu)。

2.3改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，以最新的納米晶帶材料為例，其磁芯結(jié)構(gòu)可以是環(huán)形，也可以是矩形，設(shè)計(jì)人員在對(duì)磁芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)變壓器的實(shí)際工作條件、初級(jí)繞組匝數(shù)和繞組結(jié)構(gòu)，確定變壓器磁芯截面積以及繞組尺寸。在這種情況下，決定高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的損耗、溫升、體積、質(zhì)量的因素有很多，如初級(jí)繞組匝數(shù)、次級(jí)繞組匝數(shù)等。針對(duì)環(huán)形和矩形兩種不同磁芯結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員需要做好全面細(xì)致分析，就不同層次及匝數(shù)下的變壓器體積、質(zhì)量、損耗等進(jìn)行對(duì)比，提出更加優(yōu)越的設(shè)計(jì)方案。相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表明，在功率不變的情況下，矩形磁芯的結(jié)構(gòu)更加緊湊，一方面是因?yàn)榄h(huán)形變壓器會(huì)占用部分磁芯來(lái)進(jìn)行固定，矩形變壓器則可以直接利用下側(cè)磁芯完成固定；另一方面則是因?yàn)榄h(huán)形變壓器繞組內(nèi)側(cè)較長(zhǎng)，會(huì)降低磁芯窗口利用率，在中心位置出現(xiàn)冗余空間，與之相比，矩形變壓器磁芯窗口不會(huì)受到影響，利用率較高[3]。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，開(kāi)關(guān)電源本身屬于直流穩(wěn)態(tài)電源的的一種，運(yùn)行效率高、發(fā)熱量低，體積較小，在實(shí)際運(yùn)行中性能相對(duì)穩(wěn)定，在工業(yè)、軍事、電子設(shè)備等方面有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。變壓器作為高頻開(kāi)關(guān)電源中的重要組成部分，其性能和運(yùn)行效果會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的使用產(chǎn)生不容忽視的影響，需要設(shè)計(jì)人員做好變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)化與改進(jìn)，對(duì)其中存在的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行解決，以更好地適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求。

參考文獻(xiàn)

[1]馮立超.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2018，（2）：78-79.

[2]常樂(lè).高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，（1）：235.

[3]曹苗.高頻開(kāi)關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)[D].西安理工大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介

黃文章（1993—），男，漢族，浙江省溫州市人，電氣碩士在讀，單位：武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，研究方向：開(kāi)關(guān)電源變壓器。

（作者單位：武漢理工大學(xué)）