开关电源之高频变压器设计

开关电源之高频变压器设计
发表时间：2019-06-18T17:24:32.980Z 来源：《科技研究》2019年4期作者：张升
[导读] 本文主要介绍高频变压器具体参数的确定、及其在设计过程应当注意的问题及并提出相应的解决办法。

（中山市木林森光电有限公司 528415）
摘要：开关电源设计中的难点之一就是高频变压器的设计，由于高频变压器是开关电源中进行能量储存和能量传输的重要部件，其合理性与参数计算的正确性将直接影响到开关电源的整体性能。

而衡量高频变压器的好坏，除了要考虑一般变压器中涉及的效率、运行特性等方面，还要考虑到其交直流损耗、漏感、线圈本身分布参数等诸多方面影响。

本文主要介绍高频变压器具体参数的确定、及其在设计过程应当注意的问题及并提出相应的解决办法。

关键词：开关电源；高频变压器；设计要点
1 开关电源之高频变压器的主要构成及分类
从广义上来说，凡以半导体功率的开关器件为开关管，经对开关管进行高频开通以及关断控制，会将电能形态转化为其他电能形态装置，这就是所谓的开关转换器。

用开关转换器作为主要的组成部件，以闭环自动控制来稳定它的输出电压，并且在电路中增加保护环节电源，此为开关电源。

若用高频DC/DC 转换器作为开关电源工作时的开关转换器则就成为高频开关电源。

高频开关电源基本的路线是由开关型的功率变换器，整流滤波电路，交流直线转换电路以及控制电路组成。

高频开关电源变压器分类方式：
(1)按照驱动方式的不同可以分为他激式和自激式；
(2)按照电路的拓扑结构可以分为隔离式和非隔离式；前者包括正激式，反激式与半桥式，全桥式，推挽式；后者包括降压型与升压型等；
(3)按照输出输入间是否有着电器隔离，可将其分为隔离式与非隔离式；
(4)按照DC 转换器/DC 开关条件，可将其分为硬开关以及软开关。

2 开关电源之高频变压器的设计要点
2.1 整体设计
对于实用的可调开关电源，需能控制输出电压在合适的范围内调节，并且保证电流不超过所设计的最大值。

高压可调高频开关电源设计方案的结构框。

采用电压补偿网络和电流补偿网络，能设定输出电压和最大工作电流。

当工作电流超过设定的最大电流时，电压无法继续升高，从而起到保护电源的作用。

DC/DC 变换器采用半桥拓扑结构，使用采样电阻采集输出电压和输出电感电流，电压补偿网络和电流补偿网络均使用运算放大器构成有源校正网络，补偿网络输出的2 个控制量通过最小函数选择后再输出给DC/DC 变换器，这样就构成了一种控制输出电压和限制最大工作电流的电源设计方案。

2.2 主电路设计
半桥拓扑的其晶体管在关断时承受的电压应力为VDC，在输入网压为220 V 的市场中得到广泛应用。

作为一种比较成熟的隔离型拓扑结构，其主电路设计的难点在于高频变压器设计。

在升压变压器的应用场合，由于匝比的关系，副边匝数可能远远大于原边，这会导致变压器体积过大，不适合现场应用。

通过改进型半桥拓扑结构能够使副边匝数相对于传统的进型半桥拓扑结构能够使副边匝数减少50%，有利于减小电源体积和节省成本。

高频变压器设计时要科学选择变压器磁芯，工程上最常用的方法为AP 法。

AP=AeAw，Ae 为磁芯横截面面积，Aw 为磁芯窗口面积。

计算原边和副边绕组的匝比和线径。

设变换器输出电压为Aout，考虑10%输出余量及二极管和输出电感的压降。

再计算原边和副边导线的线径。

导线的线径由流过导线电流的有效值决定，对于变压器一般选择电流密度Jcmil/A 为300-500cmil/A。

2.3 参数优化设计
高频变压器的设计参数之间相互依存和相互制约，因而在设计时我们应该对各参数进行合理折中，根据应用场合的不同，应当首先去满足那些占支配地位的影响因素，之后再权衡其他参数的影响。

由于参数间的相互依存与制约，在设计时将所有参数都达到最佳是很难做到的，例如，变压器效率与体积之间的矛盾，漏感与分布电容不能同时减小等。

因此，在优化设计的过程中，我们选取了相对重要的参数进行分析。

（1）温升
在变压器工作的过程中，铁芯以及绕组中的损耗会产生热量，使得变压器的温度升高，同时这些热量会通过辐射与对流的方式在周围环境中进行传递。

我们应该对温升加以控制，从而防止绕组被烧，磁芯的性能下降和变压器热击穿等问题的出现。

在变压器的温升计算中，一般会把磁芯和绕组的损耗合在一起，并且假设热量经过磁芯与绕组后整个的表面积会均匀消散。

（2）分布参数
漏感与分布电容是高频变压器的主要分布参数，分布参数在高频下对开关电源性能的影响十分重要。

对于开关式的变换器，漏感能够导致电压尖峰，对电路中的部分器件产生不必要的损坏，而分布电容则会引起电流尖峰并且延长充电的时间，会对开关和二极管造成较大的损耗，从而使变压器的效率以及可靠性降低，所以，在此种工作模式下，我们会尽可能减小变压器的分布参数；而对于谐振式的变换器，可以吸收和利用变压器分布参数，可全作为谐振参数或者其中一部分，因而在这种模式下，应该准确设计分布电容与漏感的值。

（3）损耗分析
一是磁芯损耗分析。

高频变压器所采用的磁芯材料必须具备低损耗、稳定性好、温度特性优良、饱和磁感应强度高等特性，业内最常见的磁芯材料包括软磁铁氧体、坡莫合金和非晶态合金3种，其中应用最广的当数锰锌铁氧体。

该种材料具有较高的磁导率和居里温度、温度特性稳定且具有明显的负温度特性，可以较好地解决高频变压器的容量、损耗、体积、重量、散热等一系列问题。

从磁芯损耗上考虑，鉴于传统的硅钢和铁氧体等损耗模型已不能满足高频领域的性能要求，可以采用低矩形比的新型铁基纳米晶合金，在串联谐振电路单元中，通过把一个完整的充电周期切分为多个开关子周期，由各子周期磁通密度的增量求出相应的功率损耗，最后通过求和即可计算出磁芯
在充电过程中的平均绕组损耗。

高频变压器的绕组损耗主要取决于绕组的直流电阻、电流有效值和交流电阻系数3个参数。

一般来说，绕组的交流电阻比直流电阻要高，这是因为绕组中存在一定的集肤效应和邻近效应。

因此，交流电阻系数又成为绕组损耗分析的重中之重。

高频电流在相邻的导线中流动时，受磁效应影响会使电流聚集在一侧，相信导线越多，偏聚效应越明显，因此，对于绕组损耗来说，邻近效应比趋肤效应更为关键。

在导线选用时，应尽量选择直径小两倍集肤深度的导线，或者通过小直径、多股并绕的方式减少绕组损耗。

2.4 优化设计方法
纳米晶带材的可用磁心结构有矩形与环形两种，当磁心结构确定时，依据变压器指定工作条件，初级绕组匝数以及绕组结构决定着变压器的磁芯截面积，绕组尺寸和磁心的窗口面积，即初级绕组匝数以及次级绕组的层数决定着变压器的损耗，温升以及分布参数，体积重量。

所以，对于矩形与环形这两种磁心结构，通过对不同层次和匝数下变压器的体积重量，损耗等进行比较，从而对高频开关电源变压器采取更优的设计方案。

3 结语
开关电源被广泛的应用于电力电子元件构成的终端和通信设备中，这也给开关电源的发展提出了更高的要求，开关电源逐渐向高效率、高性能和高可靠性方面发展。

当前各国为了进一步提高开关电源的效率、缩小其体积、降低其成本，在软开关技术、同步整流技术、数字控制等基础上，不断地进行新技术的创新与研究，若能将上述技术进行融合，不但可以提高开关电源的性能，还可以实现对开关电源远程的控制和故障诊断。

参考文献：
[1]李世涛.研究高频变压器设计中需注意的相关问题[J].山东工业技术,2019(01)
[2]刘洁苇,吕运强,李琳,陈彬.高频变压器磁场和温度场的瞬态特性分析[J].高电压技术,2019,45(04)。