高频变压器的设计方法

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变压器或者电感根据在拓扑结构中的工作方式分为三大类：1、 直流滤波电感工作状态，电感磁芯只工作在一个象限。属于这 类工作状态的电感有Boost电感、Buck电感、Buck/boost电感、
正激以及所有推挽拓扑变换器输出滤波电感、单端反激变换器
变压器； 2、正激变换器中的变压器，磁芯也只工作在一个象限， 但变压器要进行磁复位。 3、 推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化，属于这
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‘+’=适合； ‘0’=一般；‘-’=不适合
磁芯材料的选择应注意的问题： 1、软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点， 而被广泛应用于开关电源中。 2、软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列， 锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要应用在1MHz 以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛。而镍锌铁氧体 的组成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感 绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。 3、在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用 途不同，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为 高导磁率磁心，其材料牌号多为R4K～R10K，即相对磁导率为 4000～10000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等 多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T（即5000GS）左右。
dWH * 2 * 0.9 0.558mm
多股线并绕时的线径必须小于或等于dwH，单线绕制 时，线径如果超过dWH值就要考虑采用多股线并绕。
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6. 计算铜损Pcu和铁损Pfe（变压器总损耗Ploss) a)原边和副边绕组损耗。其中，MLT为磁芯的平均匝长
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磁芯结构 E cores
Planar E Cores
EFD Cores ETD Cores ER Cores U Cores RM Cores EP Cores P Cores Ring Cores
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变换器电路类型 反激式 正激式 推挽式 + + 0 + 0 + + 0 + + 0 + + + 0 0 0 + 0 + 0 + 0 + +
0.4 * 3.14156 *106 2 *84.8 0.83mm 1434 * 0.001
可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数
5.原、副边及辅助绕组的线径
有两种方法：1、求裸线面积； 2、求导线直径 （J电流密度取 4A/mm2)
I rms *0.77 A xp 0.731*103 cm2 J
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电源的基本参数如右： 选择反激拓扑。
1. 选择磁芯材料，确定变压器的视在功率PT； 考虑成本因数在此选择PC40材质，查PC40资料得 Bs=0.39T Br=0.06T
Bmax Bs Br 0.39T 0.06T 0.33T
为了防止磁芯的瞬间出现饱和，预留一定裕量，取 Bm= ΔBmax*0.6=0.198T 取0.2T
最外层的绕组排列形式，这样有利于原绕组对磁芯的
绝缘安排；
2）如果要增加原副绕组之间的耦合，可以采用一半原绕
组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组，最外层再绕
一半原绕组的排列形式，这样有利于减小漏感。
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5.组装结构： 高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果 选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组
要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。
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3.磁芯参数：
磁芯参数设计中，要特别注意工作磁通密度不只是
受磁化曲线限制，还要受损耗的限制，同时还与功率传送的工
作方式有关。 磁通单方向变化时：ΔB=Bs-Br，既受饱和磁通 密度限制，又更主要是受损耗限制，（损耗引起温升，温升又 会影响磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.6～0.7ΔB 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB，开气隙后，励 磁电流有所增加，但是可以减小磁芯体积。对于磁通双向工作 而言： 最大的工作磁通密度Bm，ΔB=2Bm。在双方向变化工作
不高，磁致伸缩大，对温度变化比较敏感。选择哪一类
软磁铁氧体材料更能全面满足高频变压器的设计要求，
进行认真考虑，才可以使设计出来的变压器达到比较理
想的性能价格比。
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2.磁芯结构 选择磁芯结构时考虑的因数有：降低漏磁和漏感， 增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配 接线方便等。 漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不需
2013-9-12Fra bibliotek17●变压器的设计原则及方法
设计变压器主要有很两种方法：面积积AP法 积Ae与线圈有效窗口面积Aw的乘积。
AP：磁芯截面
PT-变压器的计算功率
Ae-磁芯有效截面积
Aw-磁芯窗口面积 Ko-磁芯窗口利用系数，典型值为0.4
Kf-波形系数，方波为4，正弦波为4.44
Bw-磁芯的工作磁感强度 Fs-开关工作频率 Kj-电流密度系数，取395A/cm2 X-磁芯结构系数，P107表3-8
装结构。
6.温升校核： 温升校核可以通过计算和样品测试进行。实验温升低 于允许温升15度以上，适当增加电流密度和减小导线 截面，如果超过允许温升，适当减小电流密度和增加 导线截面，如增加直径，窗口绕不下，要加大磁芯， 增加磁芯的散热面积。
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功率变压器根据拓扑结构分为三大类： （1）反激式变压器； （2）正激式变压器； （3）推挽式变压器（全桥/半桥变换器中的变压器） 磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：
0.346mm J 用两根直径为0.18mm线并绕，或者用AWG #28单股线
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d wp 1.13*
I prms
次级线径：
d wp 1.13*
I0
J
1.0mm
用4根直径为0.25mm（AWG #31）的线并绕。 电流趋肤深度的计算
76.5* f s *1000 0.31mm
变压器基础知识 1、变压器组成： 原边（初级primary side ） 绕组 副边绕组（次级secondary side ） 原边电感（励磁电感）--magnetizing inductance 漏感---leakage inductance 副边开路或者短路测量原边 电感分别得励磁电感和漏感 匝数比：K=Np/Ns=V1/V2 2、变压器的构成以及作用： 1）电气隔离 2）储能 3）变压 4）变流
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反为了适应突变的负载电流，把电源设计在临界模式： 临界电流I0B=0.8×I0=2.4A 3. 计算原、副边电感量及匝数
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原、副边峰值电流
原、副边及辅助绕 组的匝数
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为了避免磁芯饱和，在磁回路中加入一个适当的气隙，计 算如下： l
g

0.4 * N p 2 * Ae *10 8 Lp
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开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求： （1）具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br 磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定影响。从 理论上讲，Bs高，变压器绕组匝数可以减小，铜损也随之减小 在实际应用中，开关电源高频变换器的电路形式很多，对于变 压器而言，其工作形式可分为两大类： 1）双极性：电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负 半周励磁电流大小相等，方向相反，因此对于变压器磁心里的磁通 变化，也是对称的上下移动，B的最大变化范围为△B=2Bm，磁心中 的直流分量基本抵消。 2）单极性：电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个 周期内加上1个单向的方波脉冲电压（单端反激式如此）。变压器 磁心单向励磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之间变化， 这时的△B=Bm－Br，若减小Br，增大饱和磁通密度Bs，可以提高 △B，降低匝数，减小铜耗。
2.5～4A/mm2。导线直径的选择还要考虑趋肤效应。如
必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。
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4.线圈参数：
一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯，副绕组反
馈绕组逐渐向外排列。下面推荐两种绕组排列形式：
1）如果原绕组电压高（例如220V），副绕组电压低，可
以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，原绕组在
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变压器视在功率PT：对于反激拓扑来说，
(21 1) *3 P Pin Pout Pout (21 1) *3 148.5W T 0.8 Pout
2. 计算AP
（用Excel表格来计算AP值）
式中：
PT *104 AP 0.783cm 4 Bm * f s *1000* J * K u
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（3）适中的磁导率 相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率 来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以 下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。对于高于这一频段 的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。 （4）较高的居里温度 居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温 度在200℃以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80℃，这是 因为在100℃以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70％。因 此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者， 当高于100℃时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。对 于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110℃，居里温度 高达240℃，满足高温使用要求。