淺談高頻開關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換變壓器制作工藝

高敏

（福建星海通信科技有限公司，福建福州，350008）

0 引言

高頻開關(guān)電源是現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部件，它的作用是把電子設(shè)備的輸入電源轉(zhuǎn)換成電子設(shè)備內(nèi)部電路工作所需的各種電源，而功率轉(zhuǎn)換變壓器是高頻開關(guān)電源的核心組成部件，它起著能量傳輸、電壓轉(zhuǎn)換以及電氣隔離等重要作用，功率轉(zhuǎn)換變壓器性能的好壞將直接影響高頻開關(guān)電源的性能。功率轉(zhuǎn)換變壓器的性能除合理的設(shè)計(jì)，還取決于適宜的制作工藝，因此，功率轉(zhuǎn)換變壓器采取怎樣的制作工藝對(duì)功率轉(zhuǎn)換變壓器的性能就顯得尤為重要。本文以我司生產(chǎn)的1.5kW開關(guān)電源所用的功率轉(zhuǎn)換變壓器為例，介紹了一種功率轉(zhuǎn)換變壓器制作工藝。該變壓器的設(shè)計(jì)輸出結(jié)果是：磁芯選用PM74鐵氧體磁芯，初級(jí)導(dǎo)線采用0.07×119×1絲包線，次級(jí)導(dǎo)線選用0.07×119×4絲包線，原理圖如圖1所示。

圖1 功率轉(zhuǎn)換變壓器原理圖

1 功率轉(zhuǎn)換變壓器制作工藝流程

■1.1 繞線工藝

變壓器線圈繞組的制作是變壓器制作過程的關(guān)鍵工序，變壓器線圈繞制質(zhì)量和采取的繞制工藝將直接影響變壓器的性能。功率轉(zhuǎn)換變壓器繞組的繞線采用交叉纏繞式工藝，也就是把功率轉(zhuǎn)換變壓器繞組分三層，第一和第三層為初級(jí)線圈繞組，第二層為次級(jí)線圈繞組，如圖2所示，由于形如三明治，因此也稱為“三明治繞法”。具體的做法是把初級(jí)線圈等分成兩個(gè)繞組，先在設(shè)計(jì)選定的線圈骨架上均勻繞制第一層初級(jí)線圈1/2N，繞好第一層線圈繞組后將剩下的初級(jí)導(dǎo)線暫時(shí)固定線圈骨架的一端，用絕緣膠帶紙?jiān)谝牙@好的線圈上包裹著纏繞兩圈，然后用雙線并繞的方式繞制次級(jí)繞組線圈，第二層線圈繞制完成后，把次級(jí)線圈的引出線固定在線圈骨架相對(duì)應(yīng)的引腳上，再用絕緣膠帶紙?jiān)诘诙泳€圈繞組上包裹著纏繞兩圈，接著用第一層線圈繞組剩下的初級(jí)導(dǎo)線在繞制第三層線圈，當(dāng)?shù)谌龑泳€圈繞組繞制完成后，把初級(jí)線圈的引出線固定在線圈骨架相對(duì)應(yīng)的引腳上，并用絕緣膠帶紙?jiān)谝牙@好的第三層線圈上包裹著纏繞兩圈。采用這種交叉纏繞式工藝的優(yōu)點(diǎn)是減小漏感，次級(jí)線圈采用雙線并繞可以最大限度保證兩個(gè)次級(jí)線圈繞組的性能一致性。

圖2 線圈示意圖

■1.2 組裝工藝

功率轉(zhuǎn)換變壓器是由PM磁芯、PM骨架和線圈繞組組成的，變壓器的組裝過程就是把繞制好線圈、磁芯進(jìn)行裝配，在這里介紹功率轉(zhuǎn)換變壓器的具體組裝工藝流程：

（1）除塵：對(duì)待裝配的磁芯進(jìn)行除塵處理，以保證磁芯對(duì)接端面無附著物。

（2）涂膠：在一付PM磁芯的對(duì)接端面均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠。

（3）打包：把繞好的線圈繞組裝入涂抹過環(huán)氧樹脂膠的PM磁芯，然后用固定螺柱把PM磁芯鎖緊，用干凈的布把磁芯對(duì)接端面溢出的膠擦干凈，再用絕緣膠帶纏繞兩圈。

經(jīng)過上述流程處理好的功率轉(zhuǎn)換變壓器放置24小時(shí)以上，待環(huán)氧樹脂膠完全固化后就可進(jìn)行浸漆工序了。

■1.3 浸漆工藝

對(duì)組裝好的功率轉(zhuǎn)換變壓器進(jìn)行浸漆是變壓器制作過程的最后一道工序，根據(jù)變壓器的性能要求來選擇適宜的絕緣漆進(jìn)行浸漬，以滿足設(shè)計(jì)要求。變壓器浸漆后可形成一層保護(hù)膜，這層膜能夠帶來諸多好處，總結(jié)起來主要以下幾個(gè)方面：(1)可以提高其絕緣性能。變壓器浸漆可以提高其抗電強(qiáng)度和絕緣電阻，以滿足變壓器的電氣絕緣性能要求。(2)可以增強(qiáng)其環(huán)境適應(yīng)性能。增強(qiáng)其防潮性、防腐蝕性、防紫外線、防鹽霧性、防霉性和抵御其他有害物質(zhì)侵襲的性能，從而增強(qiáng)電子變壓器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。(3)可以改善其導(dǎo)熱性能。變壓器的磁芯和繞組之間的空隙被絕緣漆膜填充，可大大改善變壓器整體的導(dǎo)熱性，從而降低變壓器的溫升速度。

功率轉(zhuǎn)換變壓器與常見的工頻變壓器不同，它傳輸?shù)男盘?hào)是矩形方波信號(hào)，且工作在高頻段，工作頻率一般為200kHz～ 500kHz，對(duì)變壓器的絕緣性能要求高，因此，這里選用有機(jī)硅絕緣漆（H級(jí)耐熱絕緣材料），并采用兩道浸漆工序，確保絕緣漆完全填滿變壓器內(nèi)部空隙，從而達(dá)到功率轉(zhuǎn)換變壓器設(shè)計(jì)的絕緣性能要求。具體浸漆工藝流程見圖3。操作方法如下：

圖3 浸漆工藝流程圖

（1）除塵：對(duì)繞制好的線圈繞組進(jìn)行除塵處理，確保線圈繞組干凈整潔，沒有附著物，同時(shí)要求浸漆操作環(huán)境潔凈、明亮、通風(fēng)。

（2）預(yù)烘干：把經(jīng)過除塵處理好的線圈繞組放置到烘箱內(nèi)烘干(溫度80℃，時(shí)間4小時(shí))以去除線圈繞組內(nèi)的潮氣。

（3）配漆：按有機(jī)硅絕緣漆的配比要求，添加相應(yīng)的稀釋劑配制后，粘度為25S±2S。

（4）浸漆：把配制好的有機(jī)硅絕緣漆放入浸漆容器內(nèi)，把烘干好的線圈繞組從烘箱中取出，迅速放入裝有有機(jī)硅絕緣漆的浸漆容器內(nèi)，漆應(yīng)沒過線圈繞組，并不停地?cái)噭?dòng)絕緣漆，使漆浸入線圈繞組內(nèi)，直至無氣泡冒出。

（5）晾干：把浸好漆的線圈繞組取出，室溫下，晾放滴干多余的漆。

（6）烘干：把晾干的線圈繞組放入烘箱烘干(首先溫度80℃±3℃，烘2小時(shí)；然后溫度100℃±3℃，烘4小時(shí)；最后溫度120℃±3℃，烘2小時(shí))。烘干溫度宜先低后高、分段設(shè)置，可避免漆層表面已干，內(nèi)部未干的現(xiàn)象出現(xiàn)。

第二道浸漆工藝與第一道流程是一樣的，不同之處是第一道漆烘干后,變壓器應(yīng)冷卻至80℃再進(jìn)行二道浸漆。

2 裝配要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

■2.1 磁芯氣隙

在功率轉(zhuǎn)換變壓器的制作過程中，為了防止功率轉(zhuǎn)換變壓器在工作過程中出現(xiàn)磁芯飽和，通常需在磁芯之間增加氣隙，磁芯增加氣隙最常用的方法是直接在磁芯對(duì)接端面之間墊層絕緣紙。為了提高變壓器性能，減少磁芯氣隙帶來的影響，這里沒有采用通常做法，而是采用磁芯中心柱增加氣隙的方法，如圖4所示，即把PM74磁芯的中心柱截去一段（具體截?cái)嚅L(zhǎng)度由設(shè)計(jì)決定），這樣，當(dāng)磁芯對(duì)接時(shí)中心柱之間就存在氣隙。大批量生產(chǎn)時(shí)，可以直接向磁芯廠家直接定制特殊尺寸的磁芯，由于我司生產(chǎn)的開關(guān)電源只應(yīng)用在本公司生產(chǎn)的功率發(fā)射機(jī)上，產(chǎn)量較小，無法達(dá)到磁芯起訂數(shù)量，因此，采取選用市場(chǎng)上通用的磁芯來截取中心柱以滿足變壓器對(duì)磁芯氣隙要求，具體的做法是先在磁芯中心柱上標(biāo)記需要截取的長(zhǎng)度，再用砂輪機(jī)慢慢打磨磁芯中心柱，直到截?cái)嚅L(zhǎng)度達(dá)到要求。由于磁芯較脆，在打磨時(shí)手持要穩(wěn)、進(jìn)入要慢，這樣才能保證磁芯截取端面平整。

圖4 磁芯氣隙示意圖

■2.2 變壓器組裝

線圈繞組和磁芯組裝成變壓器時(shí)，首先要把磁芯對(duì)接端面對(duì)整齊，對(duì)接端面越整齊變壓器性能越好，當(dāng)磁芯對(duì)接面對(duì)齊后用螺柱把磁芯鎖緊，鎖緊時(shí)應(yīng)注意鎖緊力量，大小要合適，小了就會(huì)沒鎖緊，出現(xiàn)磁芯松動(dòng)錯(cuò)位，力量大了，由于磁芯中心柱由氣隙而容易出現(xiàn)磁芯中心柱斷裂，因此，組裝時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注，避免出現(xiàn)損壞。

3 對(duì)比測(cè)試

功率轉(zhuǎn)換變壓器在滿足功率和電壓轉(zhuǎn)換要求的條件下，我們重點(diǎn)關(guān)注它的漏感指標(biāo)，因?yàn)楣β兽D(zhuǎn)換變壓器的漏感將直接影響到開關(guān)電源功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻產(chǎn)生的電壓尖峰大小，變壓器漏感越大開關(guān)管上的電壓尖峰就越大，開關(guān)管上承受的電壓應(yīng)力也越大和且容易發(fā)熱，同時(shí)也使開關(guān)電源的整體電磁兼容性能變差，因此，功率轉(zhuǎn)換變壓器的漏感是越小越好。為了驗(yàn)證本文所提出工藝方法達(dá)到減小漏感的可行性，我們分別做了甲、乙兩組變壓器，每組3只，甲組按傳統(tǒng)工藝制作，乙組按本文介紹的工藝制作，這里僅對(duì)我們關(guān)注的變壓器漏感進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1

從表1可以看出，新工藝制作的變壓器漏感減小明顯，有利于提高高頻開關(guān)電源的整體性能和可靠性。

4 結(jié)束語

采用本文介紹的工藝方法制作的功率轉(zhuǎn)換變壓器已成功應(yīng)用在1.5kW高頻開關(guān)電源上，經(jīng)過小批量生產(chǎn)和幾年的裝機(jī)使用，總的來說，采用該工藝制作的變壓器具有漏感小、性能一致性好等特點(diǎn)。本文介紹的功率轉(zhuǎn)換變壓器工藝流程為工程技術(shù)人員在制作功率轉(zhuǎn)換變壓器上提供一種參考，具有一定的工程價(jià)值。