高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計及其應(yīng)用

開關(guān)電源的未來主要發(fā)展方向是高頻化和高功率密度化。需要注意的是，變壓器是開關(guān)電源的核心部件，并且，隨著頻率與功率逐漸提高，電源開關(guān)對電源系統(tǒng)性能的影響日益顯著。所以，研究對高頻開關(guān)電源變壓器，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)一步分析其應(yīng)用是關(guān)鍵。本文主要對高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計及其應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)學(xué)者提供有價值的參考。

【關(guān)鍵詞】高頻 開關(guān)電源 變壓器 優(yōu)化設(shè)計 應(yīng)用

電源變壓器具備的主要功能是隔離絕緣、傳送功率以及變換電壓。電源變壓器是一種主要軟磁電磁元件，被廣泛運(yùn)用于電力電子技術(shù)和電源技術(shù)中。開關(guān)電源變壓器是開關(guān)電源的核心部件，能夠轉(zhuǎn)換和傳輸能量。此外，在開關(guān)電源變壓器的開關(guān)電源中，主要的體積與重量占有者，也是發(fā)熱源，可以使得開關(guān)電源向小型輕量方向發(fā)展，并且實(shí)現(xiàn)平面智能等目標(biāo)。因此，開關(guān)電源的高頻化是重中之重。

1 高頻開關(guān)電源變壓器的主要構(gòu)成以及分類

通常從廣義角度而言，凡是將半導(dǎo)體功率的開關(guān)器件作為開關(guān)管，經(jīng)對開關(guān)管，進(jìn)行高頻開通，或者是進(jìn)行關(guān)斷控制，均會促使電能形態(tài)向其他電能形態(tài)裝置轉(zhuǎn)化，即開關(guān)轉(zhuǎn)換器。開關(guān)電源是指將開關(guān)轉(zhuǎn)換器作為主要組成部件，通過采取閉環(huán)自動控制的方式，實(shí)現(xiàn)輸出電壓保持穩(wěn)定的目標(biāo)，并且實(shí)現(xiàn)在電路中增加保護(hù)環(huán)節(jié)電源。高頻開關(guān)電源是指采用高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器，作為開關(guān)電源工作狀態(tài)下的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

高頻開關(guān)電源的基本路線主要是由開關(guān)型功率變換器，整流濾波電路，交流直線轉(zhuǎn)換電路及控制電路幾部分組成。高頻開關(guān)電源變壓器分為他激式和自激式、隔離式和非隔離式、硬開關(guān)以及軟開關(guān)幾類。

2 高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)選取

高頻變壓器的設(shè)計參數(shù)彼此聯(lián)系，所以，在具體設(shè)計時，針對各個參數(shù)應(yīng)該在合理范圍內(nèi)進(jìn)行有效折中?；诟黝悜?yīng)用場景應(yīng)當(dāng)首，首先符合占支配地位的重要影響因素，其次權(quán)衡剩余其他參數(shù)帶來的影響。因?yàn)楦鲄?shù)間緊密聯(lián)系，在設(shè)計時，想把一切參數(shù)均達(dá)到最佳基本上不太可能。如變壓器體積和效率二者之間存在的矛盾，漏感合分布電容二者難以同時減小。所以，在高頻開關(guān)電源變壓器優(yōu)化設(shè)計的整個過程中，本文選取了三個相對比較重要的參數(shù)，以此展開分析。

2.1.1 溫升

在變壓器具體工作的整個過程中，鐵芯和繞組中的損耗必定會產(chǎn)生一定熱量，從而促使變壓器溫度逐漸升高，與此同時，這些熱量通常會采取輻射和對流的方法，在周圍環(huán)境中相互傳遞。因此，應(yīng)該有效控制溫升，進(jìn)而以防繞組被燒，或者是防止變壓器熱擊穿、防止磁芯性能下降的現(xiàn)象出現(xiàn)。并且，在計算變壓器的溫升時，通常是會將磁芯和繞組的損耗歸在，假設(shè)熱量經(jīng)過磁芯與繞組后，整個表面積會發(fā)生均勻消散的現(xiàn)象。

2.1.2 分布參數(shù)

高頻變壓器的主要分布參數(shù)通常是漏感、分布電容。在高頻下，分布參數(shù)對開關(guān)電源性能會產(chǎn)生關(guān)鍵影響。在開關(guān)式的變換器上，漏感可以致使電壓尖峰，此時電路中的部分器件會受此影響，發(fā)生不必要的破壞。同時，分布電容可能會引起電流尖峰，且可以大幅度延長充電時間，從而開關(guān)和二極管會受此影響，發(fā)生大規(guī)模損耗，進(jìn)而降低變壓器效率及可靠性。因此，在這樣的工作模式種，需要盡量降低變壓器的分布參數(shù)。此外，對于諧振式的變換器而言，能夠吸收、利用變壓器分布參數(shù)。所以在這種模式下，要求必須準(zhǔn)確設(shè)計分布電容和漏感的值。

2.1.3 損耗與效率

本文將輸入功率和輸出功率二者的差視為變壓器功率損耗值，并且，將其分成兩個分量，即繞組損耗和磁芯損耗。通常，在額定電壓運(yùn)行的條件下，隨著負(fù)載電流的不斷變化，鐵損不會發(fā)生變化，所以鐵損也被稱作是不變損耗。如果忽視勵磁電流，銅損和負(fù)載電流的平方成正比，所以銅損也被稱作是可變損耗。筆者對變壓器分別進(jìn)行了兩項實(shí)驗(yàn)，即短路試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和空載實(shí)驗(yàn)，在額定電壓下，分別測得鐵損耗和額定負(fù)載下銅損耗，結(jié)果得出鐵損在正常工作時依舊保持不變，而隨著負(fù)載的變化，銅損會發(fā)生一系列變化。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

高頻開關(guān)電源變壓器優(yōu)化的目標(biāo)是盡量使變壓器體積向更小的方向發(fā)展，因?yàn)橹挥兄亓窟_(dá)到更輕，頻率達(dá)到更高，才能保證溫升，從而使得分布參數(shù)和絕緣滿足設(shè)計的前提條件。為將變壓器的效率實(shí)現(xiàn)最大化，需要注意的是，在設(shè)計的過程中，應(yīng)該遵循以下兩個基本原則：

（1）保證變壓器的銅損和鐵損二者相等。

（2）保證在初次繞組時，變壓損耗相呈相等狀態(tài)。

此外，為使得變壓器的體積盡量縮小，在設(shè)計時必須采用合適的磁芯和繞組結(jié)構(gòu)，以此保證設(shè)計的正常進(jìn)行。

2.3 優(yōu)化設(shè)計方法

現(xiàn)階段，納米晶帶材的可用磁心結(jié)構(gòu)主要分為矩形與環(huán)形。在磁心結(jié)構(gòu)確定后，根據(jù)變壓器自身指定的工作條件，初級繞組匝數(shù)和繞組結(jié)構(gòu)直接決定了變壓器的磁芯截面積大小，繞組尺寸和磁心的窗口面積。因此，對于矩形和環(huán)形這類磁心結(jié)構(gòu)，一般是需要對不同層次和匝數(shù)下，變壓器的體積、重量以及損耗等進(jìn)行具體的比較，進(jìn)而對高頻開關(guān)電源變壓器采取更加優(yōu)質(zhì)的設(shè)計方案。

3 高頻開關(guān)電源變壓器的應(yīng)用

通過將本文的設(shè)計進(jìn)行應(yīng)用分析可后可知，在變壓器功率相同時，矩形磁心比環(huán)形磁心更緊湊，主要原因是：

（1）環(huán)形變壓器通常是會占用部分磁心，從而使變壓器保持固定狀態(tài)，但是矩形變壓器可以利用下側(cè)磁心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固定變壓器的目標(biāo)。

（2）環(huán)形變壓器的繞組內(nèi)側(cè)長度，會極大降低磁心窗口實(shí)際利用率，以使變壓器的中心出現(xiàn)較大冗余空間，但是矩形變壓器的磁心窗口利用率通常不會受到任何的影響。

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作者簡介

常樂（1984-），女，山西省晉中市壽陽縣人?，F(xiàn)為山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院本科碩士講師。主要研究方向?yàn)閼?yīng)用電子、通信工程。

作者單位

山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省太原市 030006