高頻變壓器的設計方法及其應用研究

　　【摘要】首先論述了設計高頻變壓器的基本原則，分析了高頻變壓器設計的基本要求。闡述了高頻變壓器的設計方法，詳細討論了磁芯材料、磁芯結構、磁芯參數、線圈參數、組裝結構和工作點確定等各個方面設計時應該注意的問題。運用面積相乘(AP)法設計了一款實際應用的高頻變壓器。最后簡介了高頻變壓器的發展方向和應用前景。
　　【關鍵詞】高頻變壓器 面積相乘法 磁芯材料 線圈參數
　　【中圖分類號】TM433【文獻標識碼】A【文章編號】1009-8585(2011)02-00-03
　　
　　1 引言
　　電子變壓器、半導體開關器件、半導體整流器件和電容器一起，被稱為電源裝置中的四大主要元器件[1]。電子變壓器作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術中和電力電子技術中得到廣泛的應用。高頻變壓器是指工作頻率大于等于20KHz的變壓器，主要用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器，也可以用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源變壓器。一般傳送功率比較大的，工作頻率比較低；傳送功率比較小的，工作頻率比較高。高頻電子變壓器和它的發展方向最近成為電子變壓器行業關注的一個焦點。電子設備小型化和輕量化的需求日益突出，因此，對于占用電子設備很大體積和重量的電感變壓器相應向高頻化的方向發展。同時，器件也由傳統的插件向表面貼裝的方向發展，筆記本電腦的日益普及，各種數碼消費電子和汽車電子的蓬勃發展，都為高頻電感變壓器的發展提供千載難逢的機會。在DC-DC轉換器中，更低的電壓，更高的電流的發展趨勢，對相應的高頻電子變壓器的設計提出更高的要求。
　　2 高頻變壓器的設計原則與設計要求
　　1) 高頻變壓器的設計原則。高頻變壓器作為一種產品，與其他商品一樣，設計原則是在具體使用條件下完成具體功能中追求性能價格比最好。產品雖然性能好，但如果價格不能為市場接受也會遭冷落和淘汰。
　　2) 高頻變壓器的設計要求。以設計原則為出發點，高頻變壓器的設計要求包括：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。使用條件包括兩方面內容：可靠性和電磁兼容性。可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止[2]。電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。高頻變壓器產生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮[3]，高頻變壓器產生電磁干擾的原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。高頻電源變壓器完成功能有三個：功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。加在原繞組上的電壓，在磁芯中產生磁通變化，使副繞組感應電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊；電壓變換是通過原邊和副邊繞組匝數比來完成；絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結構來完成。提高效率是對電源和電子設備的普遍要求，也是高頻變壓器的一個設計要求，一般效率要提高到95％以上。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗（鐵損）和繞組損耗（銅損），變壓器的鐵損和銅損的比例隨變壓器的工作頻率發生變化。一般在50Hz工頻下，銅損遠遠超過鐵損，隨著工作頻率升高，銅損下降，而鐵損隨著工作頻率升高而迅速增大，鐵損是高頻電源變壓器損耗的主要部分，因此根據鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設計的一個主要內容。降低成本也是高頻電源變壓器的一個設計要求，有時甚至是決定性的要求。
　　3 高頻變壓器的設計方法
　　高頻變壓器的設計包括：磁芯材料的選擇，磁芯結構的選擇，磁芯參數的設計，線圈參數的設計，組裝結構的選擇和溫升校核等內容。
　　3.1磁芯材料的選擇
　　設計高頻變壓器，選擇軟磁材料是關鍵的第一步，各種磁芯的特性比較如表1所示。高頻變壓器磁芯一般使用軟磁材料。軟磁材料有較高磁導率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導率高，在一定線圈匝數時，通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應強度，線圈就能承受較高的外加電壓，因此在輸出功率一定的情況下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯回環面積小，則鐵耗也少[4]。電阻率高則渦流小，鐵耗也小。鐵氧體材料是復合氧化物燒結體，和其它軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體的優點是電阻率高、交流渦流損耗小，價格便宜，易加工成各種形狀的磁芯，缺點是工作磁通密度低、磁導率不高、磁致伸縮大、對溫度變化比較敏感。它適合高頻下使用，因此高頻變壓器一般采用鐵氧體材料作為磁芯。
　　表1 各種磁芯特性比較
　　3.2磁芯結構的選擇
　　磁芯基本結構有：①疊片，通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E、I、F、O等形狀，疊成一個鐵芯。②環形鐵芯，由O型薄片疊成，也可由窄長的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成。③C形鐵芯，此種鐵芯可免去環形鐵芯繞線困難的缺點，由二個C型鐵芯對接而成。④罐形鐵芯，它是磁芯在外，銅線圈在里，免去環形線圈不便的一種結構形式，可以減少EMI。缺點是內部線圈散熱不良，溫升較高。高頻變壓器設計時選擇磁芯結構應考慮的因素：降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配接線方便等。在高頻變壓器磁芯結構設計中，對窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來決定。為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾，有些磁芯結構在窗口外面有封閉和半封閉外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好，但散熱和接線不方便，必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼，封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用，不封閉的地方用于接線和散熱。如果窗口完全開放，接線和散熱方便，屏蔽電磁干擾作用差。
　　3.3磁芯參數ΔB的選擇
　　高頻變壓器磁芯參數選擇時，必須注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時還與功率傳送的工作方式有關。對于磁通單方向變化的工作模式：
　　，ΔB既受飽和磁通密度限制，又受損耗限制。對于磁通雙方向變化的工作模式：，工作磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多，損耗也大得多，ΔB主要受損耗限制，而且還要注意出現的直流偏磁問題[3]。對電感器功率傳送方式，磁導率是有氣隙后的等值磁導率，一般都比磁化曲線測出的磁導率小[4]。
　　3.4線圈參數的計算與選擇
　　高頻變壓器的線圈參數包括：匝數、導線截面(直徑)、導線形式、繞組排列和絕緣安排。原繞組匝數根據外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定，匝數不能過多也不能過少。如果匝數過多，會增加漏感和繞線工時；如果匝數過少，在外加激磁電壓比較高時，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強絕緣[5]。副繞組匝數由輸出電壓決定。導線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。還要注意的是導線截面（直徑）的大小還與漏感有關。高頻變壓器的繞組排列形式有：①如果原繞組電壓高，副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排；②如果要增加原和副繞組之間耦合，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式，這樣有利于減少漏感。另外，當原繞組為高壓繞組時，匝數不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。對于絕緣安排，首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級低，滿足不了耐熱要求，等級過高，會增加不必要的材料成本。其次，對在圓柱形磁路上繞線的線圈，最好采用線圈骨架，既可以保證絕緣，又可以簡化繞線工藝。另外，線圈最外層和最里層，高壓和低壓繞組之間都要加強絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜，加強絕緣應墊2～3層絕緣薄膜。
　　
　　3.5組裝結構的選擇
　　高頻變壓器組裝結構分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結構，上下表面比較大，有利于散熱；其它的都采用立式結構。另外，組裝結構中采用的夾件和接線端子等盡量采用標準件，以便于外協加工，降低成本。
　　3.6工作點的確定
　　對于新買來的磁芯，由于廠家提供的磁感應強度值并不準確，一般先要粗略測試它，具體方法：將調壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形，將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發生奇變，此時磁芯已飽和，根據公式：U＝4.44fN1Φm可推知在Φm值。
　　3.7變壓器磁芯的具體計算方法
　　高頻變壓器鐵芯的設計方法有幾種，這里我們介紹一種AP法[6]。主要過程：先是求出磁芯窗口面積Aw與磁芯有效截面積Ae的乘積AP，再根據AP值，查表找出磁性材料的編號，然后選擇合適的鐵芯材料。設原邊NP匝，副邊NS匝的變壓器，在原邊加電壓V1時，根據法拉第定律有：
　　(1)
　　式中：Kf為波形系數，即有效值和平均值之比，正弦波為4.44，方波為4；fS為工作頻率；BW為工作磁通密度。
　　(2)
　　鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數K0(一般取0.4)為有效面積[7]，該面積為原邊繞組NP占據的窗口面積與副邊繞組Ns占據的窗口面