淺談高頻開關電源的功率轉換變壓器制作工藝

高敏

（福建星海通信科技有限公司，福建福州，350008）

0 引言

高頻開關電源是現代電子設備的重要組成部件，它的作用是把電子設備的輸入電源轉換成電子設備內部電路工作所需的各種電源，而功率轉換變壓器是高頻開關電源的核心組成部件，它起著能量傳輸、電壓轉換以及電氣隔離等重要作用，功率轉換變壓器性能的好壞將直接影響高頻開關電源的性能。功率轉換變壓器的性能除合理的設計，還取決于適宜的制作工藝，因此，功率轉換變壓器采取怎樣的制作工藝對功率轉換變壓器的性能就顯得尤為重要。本文以我司生產的1.5kW開關電源所用的功率轉換變壓器為例，介紹了一種功率轉換變壓器制作工藝。該變壓器的設計輸出結果是：磁芯選用PM74鐵氧體磁芯，初級導線采用0.07×119×1絲包線，次級導線選用0.07×119×4絲包線，原理圖如圖1所示。

圖1 功率轉換變壓器原理圖

1 功率轉換變壓器制作工藝流程

■1.1 繞線工藝

變壓器線圈繞組的制作是變壓器制作過程的關鍵工序，變壓器線圈繞制質量和采取的繞制工藝將直接影響變壓器的性能。功率轉換變壓器繞組的繞線采用交叉纏繞式工藝，也就是把功率轉換變壓器繞組分三層，第一和第三層為初級線圈繞組，第二層為次級線圈繞組，如圖2所示，由于形如三明治，因此也稱為“三明治繞法”。具體的做法是把初級線圈等分成兩個繞組，先在設計選定的線圈骨架上均勻繞制第一層初級線圈1/2N，繞好第一層線圈繞組后將剩下的初級導線暫時固定線圈骨架的一端，用絕緣膠帶紙在已繞好的線圈上包裹著纏繞兩圈，然后用雙線并繞的方式繞制次級繞組線圈，第二層線圈繞制完成后，把次級線圈的引出線固定在線圈骨架相對應的引腳上，再用絕緣膠帶紙在第二層線圈繞組上包裹著纏繞兩圈，接著用第一層線圈繞組剩下的初級導線在繞制第三層線圈，當第三層線圈繞組繞制完成后，把初級線圈的引出線固定在線圈骨架相對應的引腳上，并用絕緣膠帶紙在已繞好的第三層線圈上包裹著纏繞兩圈。采用這種交叉纏繞式工藝的優點是減小漏感，次級線圈采用雙線并繞可以最大限度保證兩個次級線圈繞組的性能一致性。

圖2 線圈示意圖

■1.2 組裝工藝

功率轉換變壓器是由PM磁芯、PM骨架和線圈繞組組成的，變壓器的組裝過程就是把繞制好線圈、磁芯進行裝配，在這里介紹功率轉換變壓器的具體組裝工藝流程：

（1）除塵：對待裝配的磁芯進行除塵處理，以保證磁芯對接端面無附著物。

（2）涂膠：在一付PM磁芯的對接端面均勻涂抹環氧樹脂膠。

（3）打包：把繞好的線圈繞組裝入涂抹過環氧樹脂膠的PM磁芯，然后用固定螺柱把PM磁芯鎖緊，用干凈的布把磁芯對接端面溢出的膠擦干凈，再用絕緣膠帶纏繞兩圈。

經過上述流程處理好的功率轉換變壓器放置24小時以上，待環氧樹脂膠完全固化后就可進行浸漆工序了。

■1.3 浸漆工藝

對組裝好的功率轉換變壓器進行浸漆是變壓器制作過程的最后一道工序，根據變壓器的性能要求來選擇適宜的絕緣漆進行浸漬，以滿足設計要求。變壓器浸漆后可形成一層保護膜，這層膜能夠帶來諸多好處，總結起來主要以下幾個方面：(1)可以提高其絕緣性能。變壓器浸漆可以提高其抗電強度和絕緣電阻，以滿足變壓器的電氣絕緣性能要求。(2)可以增強其環境適應性能。增強其防潮性、防腐蝕性、防紫外線、防鹽霧性、防霉性和抵御其他有害物質侵襲的性能，從而增強電子變壓器對環境的適應性。(3)可以改善其導熱性能。變壓器的磁芯和繞組之間的空隙被絕緣漆膜填充，可大大改善變壓器整體的導熱性，從而降低變壓器的溫升速度。

功率轉換變壓器與常見的工頻變壓器不同，它傳輸的信號是矩形方波信號，且工作在高頻段，工作頻率一般為200kHz～ 500kHz，對變壓器的絕緣性能要求高，因此，這里選用有機硅絕緣漆（H級耐熱絕緣材料），并采用兩道浸漆工序，確保絕緣漆完全填滿變壓器內部空隙，從而達到功率轉換變壓器設計的絕緣性能要求。具體浸漆工藝流程見圖3。操作方法如下：

圖3 浸漆工藝流程圖

（1）除塵：對繞制好的線圈繞組進行除塵處理，確保線圈繞組干凈整潔，沒有附著物，同時要求浸漆操作環境潔凈、明亮、通風。

（2）預烘干：把經過除塵處理好的線圈繞組放置到烘箱內烘干(溫度80℃，時間4小時)以去除線圈繞組內的潮氣。

（3）配漆：按有機硅絕緣漆的配比要求，添加相應的稀釋劑配制后，粘度為25S±2S。

（4）浸漆：把配制好的有機硅絕緣漆放入浸漆容器內，把烘干好的線圈繞組從烘箱中取出，迅速放入裝有有機硅絕緣漆的浸漆容器內，漆應沒過線圈繞組，并不停地攪動絕緣漆，使漆浸入線圈繞組內，直至無氣泡冒出。

（5）晾干：把浸好漆的線圈繞組取出，室溫下，晾放滴干多余的漆。

（6）烘干：把晾干的線圈繞組放入烘箱烘干(首先溫度80℃±3℃，烘2小時；然后溫度100℃±3℃，烘4小時；最后溫度120℃±3℃，烘2小時)。烘干溫度宜先低后高、分段設置，可避免漆層表面已干，內部未干的現象出現。

第二道浸漆工藝與第一道流程是一樣的，不同之處是第一道漆烘干后,變壓器應冷卻至80℃再進行二道浸漆。

2 裝配要點及注意事項

■2.1 磁芯氣隙

在功率轉換變壓器的制作過程中，為了防止功率轉換變壓器在工作過程中出現磁芯飽和，通常需在磁芯之間增加氣隙，磁芯增加氣隙最常用的方法是直接在磁芯對接端面之間墊層絕緣紙。為了提高變壓器性能，減少磁芯氣隙帶來的影響，這里沒有采用通常做法，而是采用磁芯中心柱增加氣隙的方法，如圖4所示，即把PM74磁芯的中心柱截去一段（具體截斷長度由設計決定），這樣，當磁芯對接時中心柱之間就存在氣隙。大批量生產時，可以直接向磁芯廠家直接定制特殊尺寸的磁芯，由于我司生產的開關電源只應用在本公司生產的功率發射機上，產量較小，無法達到磁芯起訂數量，因此，采取選用市場上通用的磁芯來截取中心柱以滿足變壓器對磁芯氣隙要求，具體的做法是先在磁芯中心柱上標記需要截取的長度，再用砂輪機慢慢打磨磁芯中心柱，直到截斷長度達到要求。由于磁芯較脆，在打磨時手持要穩、進入要慢，這樣才能保證磁芯截取端面平整。

圖4 磁芯氣隙示意圖

■2.2 變壓器組裝

線圈繞組和磁芯組裝成變壓器時，首先要把磁芯對接端面對整齊，對接端面越整齊變壓器性能越好，當磁芯對接面對齊后用螺柱把磁芯鎖緊，鎖緊時應注意鎖緊力量，大小要合適，小了就會沒鎖緊，出現磁芯松動錯位，力量大了，由于磁芯中心柱由氣隙而容易出現磁芯中心柱斷裂，因此，組裝時要重點關注，避免出現損壞。

3 對比測試

功率轉換變壓器在滿足功率和電壓轉換要求的條件下，我們重點關注它的漏感指標，因為功率轉換變壓器的漏感將直接影響到開關電源功率開關管關斷時刻產生的電壓尖峰大小，變壓器漏感越大開關管上的電壓尖峰就越大，開關管上承受的電壓應力也越大和且容易發熱，同時也使開關電源的整體電磁兼容性能變差，因此，功率轉換變壓器的漏感是越小越好。為了驗證本文所提出工藝方法達到減小漏感的可行性，我們分別做了甲、乙兩組變壓器，每組3只，甲組按傳統工藝制作，乙組按本文介紹的工藝制作，這里僅對我們關注的變壓器漏感進行對比測試，測試結果如表1。

表1

從表1可以看出，新工藝制作的變壓器漏感減小明顯，有利于提高高頻開關電源的整體性能和可靠性。

4 結束語

采用本文介紹的工藝方法制作的功率轉換變壓器已成功應用在1.5kW高頻開關電源上，經過小批量生產和幾年的裝機使用，總的來說，采用該工藝制作的變壓器具有漏感小、性能一致性好等特點。本文介紹的功率轉換變壓器工藝流程為工程技術人員在制作功率轉換變壓器上提供一種參考，具有一定的工程價值。