高頻開關電源變壓器的設計及應用

馮立超

摘 要：文章以開關電源的應用背景和現狀為出發點，對高頻開關電源變壓器進行了多方面的優化設計，包括磁芯損耗分析、繞組損耗分析、損耗與效率計算、分布參數的優化等，為高頻開關電源設計的相關研究提供有益的借鑒。

關鍵詞：高頻；開關電源；變壓器；損耗；優化設計

開關電源變壓器是開關電源實現的核心技術，也是決定開頭電源性能的關鍵部件。提高開關電源的頻率是實現開關電源小型化、輕型化、平面化和智能化的重要途徑。然而，我國市場上的開關電源變壓器產品多以0.3 MHz以下頻率為主[1]，與國外的水平還有很大的差距，嚴重制約了我國電子產品小型輕量化的發展進程。為此，本文對開關電源變壓器的原理和優化等問題進行了深入的研究，這對我國開關電源產品的設計具有一定的參考意義。

1 國內外研究現狀及技術瓶頸

1.1國內外研究動態

20世紀60年代以前，電子產品中的電源均采用線性電源，這種電源由于原理的局限，工作損耗和體積重量都很大，后來逐漸被開關調節器式的直流穩壓電源所代替[2]。開關電源的集中研究始于20世紀末.開關電源當時是以脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）方式的DC/DC變換器研究走進人們的視野的。在半導體和高頻磁性材料等新興材料問世后，開關電源的頻率很快又增長到了20-50 kHz的數量級。目前國外0.5-3 MHz開關電源技術已經市場化[3]。然而，我國自主研發的開關電源變壓器產品仍以0.3 MHz以下頻率為主，高頻開關電源的研究勢在必行。

1.2開關電源技術瓶頸

盡管開關電源在近年來有了跨躍式的發展，但隨著其頻率和功率密度的進一步提高，變壓器磁芯和繞組的損耗和損耗問題也越來越嚴重，同時漏感和分布電容等現象也制約了開關電源的進一步發展。因此，近年來相關學者又把研究重點放到了高頻變壓器漏感和分布電容的計算和抑制上來，從而出現了一系列先進的軟磁材料，并發展了有限元等仿真方法，使高頻開關電源變壓器又有了新的發展勢頭剛。

2 高頻開關電源理論基礎

2.1高頻開關電源

高頻開關電源（ Switching Mode Power Supply，SMPS）是一種高頻電能轉換裝置，可以將一個位準電壓通過不同的方式轉換為期望的電壓或電流。其核心原理是通過MOSFET或IGBT等電子元器件的高頻狀態切換來實現電能的調節。高頻開關電源的結構各不相同，但從原理上看都是由主電路、控制電路、檢測電路和輔助電源4部分構成的[5]。

2.2串聯諧振電路

高頻開關電源的開關方式有硬開關和軟開關兩種。其中前者多采用PWM控制方式，由于頻繁的通斷會產生額外的開關損耗，并且損耗值與開關頻率成正比，另外還會產生分布電感和寄生電容等附加損耗，嚴重限制了開關頻率的進一步提高。軟開關利用諧振原理使電源在通斷切換過程中并不承受電壓，因此大大減小了不必要的耗損。

2.3高頻變壓器

高頻變壓器通常是指工作頻率在中頻以上的電源變壓器，它是開關電源的核心組件，其輸出電壓是由各繞組線圈的匝數比例決定的，輸出功率則與工作頻率有很大的關系。開關電源多采用半橋式功率轉換電路來實現電能轉換，兩橋臂上的兩個開關元件以高頻進行輪流導通，從而形成高頻脈沖波，再由高頻變壓器降壓即可輸出低壓交流電。變壓器的漏感和分布電容是影響其性能的主要因素。

3 高頻開關電源變壓器的設計

3.1磁芯損耗分析

高頻變壓器所采用的磁芯材料必須具備低損耗、穩定性好、溫度特性優良、飽和磁感應強度高等特性，業內最常見的磁芯材料包括軟磁鐵氧體、坡莫合金和非晶態合金3種，其中應用最廣的當數錳鋅鐵氧體。該種材料具有較高的磁導率和居里溫度、溫度特性穩定且具有明顯的負溫度特性，可以較好地解決高頻變壓器的容量、損耗、體積、重量、散熱等一系列問題。

從磁芯損耗上考慮，鑒于傳統的硅鋼和鐵氧體等損耗模型己不能滿足高頻領域的性能要求，可以采用低矩形比的新型鐵基納米晶合金，在串聯諧振電路單元中，通過把一個完整的充電周期切分為多個開關子周期，由各子周期磁通密度的增量求出相應的功率損耗，最后通過求和即可計算出磁芯在充電過程中的平均鐵損。

3.2繞組損耗分析

高頻變壓器的繞組損耗主要取決于繞組的直流電阻、電流有效值和交流電阻系數3個參數。一般來說，繞組的交流電阻比直流電阻要高，這是因為繞組中存在一定的集膚效應和鄰近效應。因此，交流電阻系數又成為繞組損耗分析的重中之重。

高頻電流在相鄰的導線中流動時，受磁效應影響會使電流聚集在一側，相信導線越多，偏聚效應越明顯，因此，對于繞組損耗來說，鄰近效應比趨膚效應更為關鍵。在導線選用時，應盡量選擇直徑小兩倍集膚深度的導線，或者通過小直徑、多股并繞的方式減少繞組損耗。

3.3參數優化

3.3.1損耗與效率計算

變壓器在工作時，并不能把所有的輸入能量都轉化為有用的功率，總有一部分能量會被浪費掉，這就是變壓器的損耗。損耗現象的直接結果就是導致變壓器的效率降低，性能下降。變壓器損耗由兩部分構成，即磁芯損耗和繞組損耗。正常情況下，磁芯損耗P是保持不變的，但繞組損耗與負載電流的平方成正比。因此變壓器總損耗可表示為

假如不考慮次級電壓的變化，則變壓器輸出有功功率可表示為：

其中S2N為變壓器次級額定容量，COS（p2是變壓器功率因數。則變壓器的效率為：

對β求導即可求出變壓器最大效率。

3.3.2分布參數計算

對于高頻變壓器設計而言，分布參數應包含漏感和分布電容兩個方面。漏感會產生沖擊電壓給變壓器帶來隱患，而分布電容則會產生沖擊電流并使充電周期加長。它們共同給高頻變壓器施加了不良影響，降低器件的可靠性，因此需要通過計算來減少這兩個量的值。

考慮到最常采用的是同軸圓筒式繞組，假設線圈高度比層間距離大許多，線圈中的磁場沒有外露并且是均勻分布的，則變壓器漏感L可表示為

其中，Ⅳ1代表初級繞組的總匝數，p代表繞組匝長的平均值，h代表高度，Al2，△2k分別代（初次和次級繞組的層間間距，d1，d2k分別代表初級和次級繞組的線徑，m代表次級繞組層數?？梢姡筁盡量變小，在制作變壓器時，可以盡量減小Nl，h，3個參數，或者盡量增大h。同時，繞組在磁心上的繞制工藝必須合理，可采用交替繞制方法，且達到高度均勻化。這樣即可實現高頻變壓器漏感的進一步優化。

下面討論分布電容的優化方案。為了簡化計算分布電容，本文把線圈展開等效成平板，從而將圓柱形電容轉化為平板電容，即折算回初級的總分布電容Cy可描述為：

其中，n為變比，s。，s，分別為真空介電常數和材料介電常數，△，表示絕緣間距。

可見，要使Cr盡量減小，在制作變壓器時，應盡量減小材料介電常數和繞組面積，盡量增大繞組間距，工藝上盡量使用分段分層的繞制方式。這樣即可實現高頻變壓器分布電容的進一步優化。

4 高頻開關電源變壓器的應用

基于本文的分析，納米晶帶材符合磁心材料的選用標準，其常用的形狀一般有矩形和環形兩種。為了得到優化參數，本文采用Matlab軟件對磁心的各項參數進行了仿真。實驗發現，矩形磁心采用6匝初級繞組和三層繞制的次級繞組時體積、總耗損和分布電容都達到了最小，較易達到設計要求。

[參考文獻]

[1]王小波.開關電源中高頻變壓器的加工工藝[J]電源世界，2012 （6）：58-59.

[2]甘焯欣.高頻開關電源變壓器優化設計分析[J]電子制作，2016 （2）：28.

[3]張學廷.如何進一步優化高頻開關電源變壓器[J].科技創新與應用，2015 （3）：122-123

[4]劉毅力，苑博.高頻變壓器分布參數的實驗研究[J]現代電子技術，2015（2）：141-144.

[5]劉燕，瞿超，魯明麗.基于TOP243Y的多路輸出開關電源高頻變壓器的優化設計[J]功能材料與器件學報，2014 （1）：42-47.