高頻變壓器設(shè)計方法

石油人在北京

高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。在高頻鏈的硬件電路設(shè)計中，高頻變壓器是重要的一環(huán)。


設(shè)計高頻變壓器首先應(yīng)該從磁芯開始。開關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時，通過不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比較小，常使用在開關(guān)電源中。

高頻變壓器的設(shè)計通常采用兩種方法[3]：第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP（AP=AW×Ae，稱磁芯面積乘積），根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號，再進(jìn)行設(shè)計。

注意：
1）設(shè)計中，在最大輸出功率時，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號時產(chǎn)生失真。
2）在瞬變過程中，高頻鏈漏感和分布電容會引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩，使損耗增加，嚴(yán)重時會造成開關(guān)管損壞。同時，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時，應(yīng)考慮分布電容的影響，降低分布電容有利于抑制高頻信號對負(fù)載的干擾。對同一變壓器同時減少分布電容和漏感是困難的，應(yīng)根據(jù)不同的工作要求，保證合適的電容和電感。

單片開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計要點(diǎn)

高頻變壓器是單片開關(guān)電源的核心部件，鑒于這種高頻變壓器在設(shè)計上有其特殊性，為此專門闡述降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法，可供高頻變壓器設(shè)計人員參考。

單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。在1994～2001年，國際上陸續(xù)推出了TOtch、TOtch-Ⅱ、TOtch-FX、TOtch-GX、Tintch、Tintch-Ⅱ等多種系列的單片開關(guān)電源產(chǎn)品，現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。

高頻變壓器是開關(guān)電源中進(jìn)行能量儲存與傳輸?shù)闹匾�部件，單片開關(guān)電源中高頻變壓器性能的優(yōu)劣，不僅對電源效率有較大的影響，而且直接關(guān)系到電源的其它技術(shù)指標(biāo)和電磁兼容性（EMC）。為此，一個高效率高頻變壓器應(yīng)具備直流損耗和交流損耗低、漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小等條件。

高頻變壓器的直流損耗是由線


圈的銅損耗造成的。為提高效率，應(yīng)盡量選擇較粗的導(dǎo)線，并取電流密度J=4～10A／mm2。

高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導(dǎo)線時總是趨向于從表面流過，這會使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)高于銅電阻。高頻電流對導(dǎo)體的穿透能力與開關(guān)頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導(dǎo)線半徑不得超過高頻電流可達(dá)深度的2倍�？晒┻x用的導(dǎo)線線徑與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。舉例說明，當(dāng)f=100kHz時，導(dǎo)線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應(yīng)，實(shí)際可用更細(xì)的導(dǎo)線多股并繞，而不用一根粗導(dǎo)線繞制。

在設(shè)計高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因為漏感愈大，產(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高，漏極鉗位電路的損耗就愈大，這必然導(dǎo)致電源效率降低。對于一個符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級開路時初級電感量的1％～3％。要想達(dá)到1％以下的指標(biāo)，在制造工藝上將難于實(shí)現(xiàn)。減小漏感時可采取以下措施：

減小初級繞組的匝數(shù)NP；
增大繞組的寬度（例如選EE型磁芯，以增加骨架寬度b）；
增加繞組的高、寬比；
減小各繞組之間的絕緣層；
增加繞組之間的耦合程度。
電源高頻變壓器的設(shè)計方法

設(shè)計高頻變壓器是電源設(shè)計過程中的難點(diǎn)，下面以反饋式電流不連續(xù)電源高頻變壓器為例，介紹一種電源高頻變壓器的設(shè)計方法。

設(shè)計目標(biāo)：電源輸入交流電壓在180V~260V之間，頻率為50Hz，輸出電壓為直流5V、14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz。
設(shè)計步驟：
1、計算高頻變壓器初級峰值電流Ipp
2、求最小工作周期系數(shù)Dmin
3、計算高頻變壓器的初級電感值Lp
4、計算出繞組面積Aw和鐵心有效面積Ae的乘積Aw*Ae,選擇鐵心尺寸。
5、計算空氣間隙長度Lg
6、計算變壓器初級線圈Np
7、計算變壓器次級線圈Ns
高頻變壓器：整流、變壓
在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計中，由于磁心材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化，高頻化和高功率比已成為一個永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積，提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。

作為開關(guān)電源最主要的組成部分，高頻變壓器相對詿?車墓て當(dāng)溲蠱饔幸韻掠諾悖豪?錳?跆宀牧現(xiàn)瞥傻母咂當(dāng)溲蠱骶哂兇?恍?矢�、体�?∏傻奶氐悖歡??車墓て當(dāng)溲蠱鞴ぷ髟?0Hz下，輸出相同功率時需要較大的截面積而導(dǎo)致變壓器體積龐大，不利于電源的小型化設(shè)計，而且電源轉(zhuǎn)換效率也低于開關(guān)電源。

電腦使用的開關(guān)電源一般采用半橋式功率轉(zhuǎn)換電路，工作時兩個開關(guān)三極管輪流導(dǎo)通來產(chǎn)生100kHz的高頻脈沖波，然后通過高頻變壓器進(jìn)行降壓，輸出低電壓的交流電。在這個電路中，開關(guān)管的最大電流對電源輸出功率的大小有一定的限制（通常應(yīng)用于300W電源的MOS管體積較大，有的電源甚至使用了耐流達(dá)到 10A的開關(guān)管），而高頻變壓器各個繞組線圈的匝數(shù)比例則決定了輸出電壓的多少，由于工作在很高的頻率下，對元件質(zhì)量的要求和線路的搭配有很高的要求。

抑制高頻變壓器的音頻噪聲
高頻變壓器EE或EI型磁芯之間的吸引力，能使兩個磁芯發(fā)生位移；繞組電流相互間的引力或斥力，也能使線圈產(chǎn)生偏移。此外，受機(jī)械振動時能導(dǎo)致周期性的形變。上述因素均會使高頻變壓器在工作時發(fā)出音頻噪聲。10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為 10kHz～20kHz。

為防止磁芯之間產(chǎn)生相對位移，通常以環(huán)氧樹脂作膠合劑，將兩個磁芯的3個接觸面（含中心柱）進(jìn)行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因為這無法將音頻噪聲減至最低，況且膠合劑過多，磁芯在受機(jī)械應(yīng)力時還容易折斷。國外最近采用一種特殊的“玻璃珠” （glassbeads）膠合劑，來粘合EE、EI等類型的鐵氧體磁芯，效果甚佳。這種膠合劑是把玻璃珠和膠著物按照1：9的比例配制而成的混合物，它在 100℃以上的溫度環(huán)境中放置1h即可固化。其作用與滾珠軸承有某種相似之處，固化后每個磁芯仍能獨(dú)立地在小范圍內(nèi)產(chǎn)生形變或移位，而總體位置不變，這就對形變起到了抑制作用。用玻璃珠膠合劑粘接的高頻變壓器內(nèi)部。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5dB。高頻變壓器的屏蔽

為防止高頻變壓器的泄漏磁場對相鄰電路造成干擾，可把一銅片環(huán)繞在變壓器外部，該屏蔽帶相當(dāng)于短路環(huán)，能對泄漏磁場起到抑制作用，屏蔽帶應(yīng)與地接通。

基本知識
將兩個線圈*近放在一起，當(dāng)一個線圈線中的電流變化時，穿過另一線圈的磁通會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使該線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電勢，這就是互感現(xiàn)象。變壓器就是根據(jù)互感原理制成的。

按工作頻率分，有高頻變壓器、中頻變壓器、低頻變壓器、脈沖變壓器。如收音機(jī)的磁性天線，它是高頻；在收音機(jī)的中頻放大級，用的是中頻的，俗稱“中周”；低頻的種類較多，有電源變壓器、輸入變壓器等；電視機(jī)的行輸出變壓器，也稱“高壓包”，它是一種脈沖變壓器。

變壓比、額定功率、溫升、效率、空載電流、絕緣電阻均為其主要技術(shù)參數(shù)。
在電路中電壓變換、電流變換、傳遞功率、阻抗匹配、或阻抗變換等用途。
電子變壓器在電源技術(shù)中的作用
作用
電子變壓器和半導(dǎo)體開關(guān)器件，半導(dǎo)體整流器件，電容器一起，稱為電源裝置中的4大主要元器件。它在電源裝置中的作用：
起電壓和功率變換作用；
起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號作用；
起傳遞脈沖、驅(qū)動和觸發(fā)信號作用；
起原邊和副邊絕緣隔離作用；
起單相變?nèi)�相或三相變單相作用，起改變輸出相位作用�?font color="black">
起改變輸出頻率作用；
起改變輸出阻抗與負(fù)載阻抗相匹配作用；
起穩(wěn)定輸出電壓或電流作用，起調(diào)節(jié)輸出電壓作用；
起交流和直流濾波作用；
起抑制電磁干擾作用，起抑制噪聲作用；
起吸收浪涌電流作用，減緩電流變化速率；
起儲能作用，起幫助半導(dǎo)體開關(guān)換向作用；
起開關(guān)作用；
起調(diào)節(jié)電感作用；
起變換電壓、電流或脈沖檢測信號。

從以上的列舉可以看出，不論是直流電源，交流電源，還是特種電源，都離不開電子變壓器。有人把電源界定為經(jīng)過高頻開關(guān)變換的直流電源和交流電源。在介紹軟磁電磁元件在電源技術(shù)中的作用時，往往舉高頻開關(guān)電源中的各種電磁元件為例證。同時，在電子電源中使用的軟磁電磁元件中，各種變壓器占主要地位，因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表，稱它們?yōu)椤半娮幼儔浩鳌薄?font color="black">

繞制變壓器的材料
要繞制一個變壓器我們必須對有關(guān)的材料要有一定的認(rèn)識，下面為你提供了這方面的知識。

1、鐵心材料：
使用的鐵心材料主要有鐵片、低硅片，高硅片，的鋼片中加入硅能降低鋼片的導(dǎo)電性，增加電阻率，它可減少渦流，使其損耗減少。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片，變壓器的質(zhì)量所用的硅鋼片的質(zhì)量有很大的關(guān)系，硅鋼片的質(zhì)量通常用磁通密度B來表示，一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000，高硅片為12000-16000。
2、通常用的材料有
漆包線，沙包線，絲包線，最常用的漆包線。對于導(dǎo)線的要求，是導(dǎo)電性能好，絕緣漆層有足夠耐熱性能，并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下最好用Q2型號的高強(qiáng)度的聚脂漆包線。
3、絕緣材料
在繞制過程中，線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離，均要使用絕緣材料，一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作，層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離，繞阻間可用黃臘布作隔離。
4、浸漬材料：
繞制好后，還要過最后一道工序，就是浸漬絕緣漆，它能增強(qiáng)變壓器的機(jī)械強(qiáng)度、提高絕緣性能、延長使用壽命，一般情況下，可采用甲酚清漆作為浸漬材料。

高頻電源變壓器的設(shè)計原則
高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品，自然帶有商品的屬性，因此其設(shè)計原則和其他商品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重性能和效率，有時可能偏重價格和成本�，F(xiàn)在，輕、薄、短、小，成為它的發(fā)展方向，是強(qiáng)調(diào)降低成本。其中成為一大難點(diǎn)的高頻電源變壓器，更需要在這方面下功夫。如果能認(rèn)真考慮一下它的設(shè)計原則，追求更好的性能價格比，傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器，應(yīng)當(dāng)設(shè)計出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本，市場的價值規(guī)律是無情的！許多性能好的產(chǎn)品，往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產(chǎn)品最后被成本否決。一些“節(jié)能不節(jié)錢”的產(chǎn)品為什么在市場上推廣不開值得大家深思。
產(chǎn)品成本，不但包括材料成本，生產(chǎn)成本，還包括研發(fā)成本，設(shè)計成本。因此，為了節(jié)約時間，根據(jù)以往的經(jīng)驗，對它的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數(shù)據(jù)，對窗口填充程度，繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案，有什么不好？為什么一定要按步就班地來回進(jìn)行推算和仿真，才不是概念錯誤？作者曾在20世紀(jì)80年代中開發(fā)高頻磁放大器式開關(guān)電源，以溫升最低為條件，對高頻電源變壓器進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計。由于熱阻難以確定，結(jié)果與試制樣品相差甚遠(yuǎn)，不得不再次修正。現(xiàn)在有些公司的磁芯產(chǎn)品說明書中，為了縮短用戶設(shè)計的時間，有的列出簡化的設(shè)計公式，有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想，又推廣公司產(chǎn)品的雙贏行為，是完全符合市場規(guī)律的行為，絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問題是提供的參考數(shù)據(jù)，推薦的方案是否是經(jīng)驗的總結(jié)？有沒有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些說法，都需要經(jīng)過實(shí)踐檢驗，才能站得住腳。

總之，千萬記住：它是一種產(chǎn)品（即商品），設(shè)計原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。檢驗設(shè)計的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場的考驗