高頻開關電源變壓器的設計

蘇治平 柳超

摘 要：隨著時代的發(fā)展和進步，技術手段也在不斷完善，公眾對電力的需求也在日益增加。基于此，關注電源技術的發(fā)展具有重要意義，電源技術的發(fā)展前景越來越廣闊，其主要發(fā)展方向是逐步發(fā)展高能量密度的電源技術。本文主要介紹高頻開關電源變壓器的設計和實際應用。

關鍵詞：高頻開關電源;變壓器;設計

引言：變壓器是電源產(chǎn)品的重要核心單元，變壓器的性能在很大程度上會影響電力產(chǎn)品的性能。開關電源一直是未來能源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的工頻變壓器體積大、效率低、成本高。正是由于上述缺點，它在設計和市場上逐漸失去了優(yōu)勢，而開關電源技術能夠有效地改善上述問題，發(fā)揮工作效率高、體積小、成本低的顯著優(yōu)勢，并逐漸被廣泛應用于多種產(chǎn)品中。

一、高頻變壓器

所謂高頻變壓器是指工作頻率高于中頻的電力變壓器，也是開關電源的重要組成部分，其輸出電壓主要由各繞組線圈的匝數(shù)比決定，而輸出功率與工作效率有著顯著的關系。開關電源主要采用半橋功率轉(zhuǎn)換電路，這也是實現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換的有效措施。兩橋臂中的兩個開關元件主要通過高頻模式依次連接，然后逐漸形成高頻脈沖波，然后通過高頻變壓器完成低壓交流輸出。影響其性能的主要因素是變壓器的漏感和分布電容。

二、高頻開關的理論分析

1高頻開關電源分析

該電源是指一種主要用于轉(zhuǎn)換高頻能的開關設備，能夠執(zhí)行多種功能，合理轉(zhuǎn)換標準電壓，并將其轉(zhuǎn)換為標準電壓或電流。這種電源開關的使用原理通常通過處于高頻模式的電子元件進行轉(zhuǎn)換，通過這種電子元件可以合理地調(diào)節(jié)電力。雖然高頻電源開關的結(jié)構(gòu)有一定的不同，但基本原理相同，一般主要由電路、檢測儀器和電路組成，存在一定的相同性。

2串聯(lián)諧振電路

對于高頻電斷路器的分析，其開關是柔性剛性開關的一部分。硬開關的使用通常是通過PVM來實現(xiàn)的，在PVM中，由于斷路太頻繁而導致的開關損耗相對過大，其值通常在一定程度上與斷路頻率成正比，并且在這一過程中電感和寄生電容的分布，可能導致?lián)p耗增加，對提高斷路器頻率有非常不利的影響，簡而言之，有很多負面影響，軟開關的使用方式是用諧振器切斷電源，不能承受相應的電壓，因此在損耗的大小上有相當大的優(yōu)勢。

3高頻電壓器分析

所謂高頻電壓器，是指變壓器的工作方式始終高于中頻，是開關電源中的一個重要組成部分，因此，輸出電壓的決定因素是每個繞組的繞組匝數(shù)。在此基礎上，高頻電壓輸出功率與工作效率的關系非常密切.在操作過程中，電源開關一般在半模功率轉(zhuǎn)換模式下工作，通過這種方式逐步實現(xiàn)兩臂開關電橋之間的有效電能轉(zhuǎn)換，保證高頻模式下的流量，然后形成一些重復，為了降低高頻變壓器的電壓，進而給出一定的低壓電流輸出.同時，變壓器電感和配電電容對性能的運行也起著重要作用。

三、高頻開關電源變壓器的設計要點

1整體設計

對于常用的可調(diào)開關電源，需要將電壓控制在相對合適的范圍內(nèi)，電流控制在最大設計值內(nèi)。高壓可調(diào)高頻開關電源設計方案的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起到了補壓網(wǎng)絡和電流補償網(wǎng)絡的作用，客觀合理地確定了輸出電壓和最大工作電流。一旦工作電流超過最大設定電流，電壓將不會持續(xù)增加，從而對電源起到一定的保護作用。DC/DC變換器采用半橋拓撲，將整套采樣電阻用于采集輸出電壓和輸出電流的電感，電壓補償網(wǎng)絡和電流補償網(wǎng)絡，合理地與運算放大器形成有源校正網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡補充兩個輸出控制量，并在使用最小功能選擇后將其發(fā)射到DC/DC轉(zhuǎn)換器，這也是一種設計電源的方案，可以控制輸出電壓并限制最大工作電流。

2主電路設計

半橋拓撲晶體管在關斷時所支持的電壓為VDC，在輸入網(wǎng)絡電壓為220V的市場上得到了廣泛應用。它也是一種相對成熟的隔離拓撲。在進行電路設計時，難點是高頻變壓器的設計。在升壓變壓器的應用中，由于匝數(shù)比的原因，二次側(cè)的匝數(shù)通常明顯高于一次側(cè)，因此變壓器的體積將非常大，這也非常不適合現(xiàn)場應用。采用改進的半橋拓撲結(jié)構(gòu)，變壓器的輔助匝數(shù)比傳統(tǒng)的半橋拓撲結(jié)構(gòu)減少了50%左右，有利于減小功率體積和控制成本。

3參數(shù)優(yōu)化設計

①溫升

變壓器在運行過程中，鐵芯和繞組中的損耗會產(chǎn)生一定的熱量，這會嚴重提高變壓器的溫度，而這種熱量會通過輻射和對流在周圍環(huán)境中不斷增加，因此，必須注意合理控制溫升，這對防止繞組燒損，降低磁芯性能下降和變壓器熱擊穿的可能性非常有益。在計算變壓器的溫升時，通常將磁芯損耗和繞組結(jié)合在一起，熱通過磁芯和繞組后，所有表面積逐漸均勻消散。

②分布參數(shù)

漏感和分布電容一直是高頻電壓電容器的重要分布參數(shù)。在高頻下，分布參數(shù)對開關電源的性能有較大的影響，在開關變換器中，漏感會導致電壓峰值，進而對某些電路元件造成相對不必要的損壞。此外，分布電容會導致電流尖峰，在一定程度上延長充電時間，甚至對開關和二極管造成深度損耗，嚴重降低變壓器的效率和可靠性。基于此，在這種工作狀態(tài)模式下，有必要最小化變壓器的實際分布參數(shù)。這種諧振變換器有利于吸收和利用變壓器的分布參數(shù)，也可以作為諧振參數(shù)或諧振參數(shù)的一部分。因此，在這種模式下，有必要對分布式設計容量和漏感進行準確的研究和設計。

③鐵芯損耗設計

高頻變壓器中使用的磁性材料需要確保其具有低損耗、強穩(wěn)定性和優(yōu)良的溫度特性。工業(yè)上常用的磁芯材料主要有軟磁鐵氧體、非晶合金和坡莫合金，其中錳鋅鐵氧體應用廣泛。該材料具有較高的磁導率、穩(wěn)定的居里溫度和溫度特性等顯著的負溫度特性，對解決高頻變壓器的容量、損耗、體積和散熱問題具有重要意義。考慮到與鐵心損耗有關的問題，由于硅鋼和鐵氧體等傳統(tǒng)損耗模型已無法滿足高頻領域的相關性能要求，可以考慮使用新型低矩形比鐵基納米晶合金，在串聯(lián)諧振電路單元中將一個完整的充電循環(huán)切割成開關子循環(huán)，然后計算每個子循環(huán)中相應的磁通密度增強功率損耗，然后，充電過程中磁芯的平均鐵損通過總和計算。

4變壓器的漏電感

銅絞線用于提高銅的占用率;采用寬薄銅箔，銅占用率最高;繞組設計為薄的，以減少漏感;二次繞組繞在一次繞組的中間，或二次勵磁繞組繞在一次繞組的外側(cè)，兩組緊密結(jié)合。在設計變壓器時，PCB板或整機的空間受到一定的限制，包括體積、工作頻率等。，這使得變壓器必須根據(jù)PCB板或整機的空間完成相關設計。根據(jù)體積、功率、頻率等相關參數(shù)，確定變壓器的實際型號和尺寸。根據(jù)變壓器的實際輸出和輸入條件，得到變壓器的初步原理圖，然后通過生產(chǎn)實際樣品來驗證初步原理圖是否滿足相關設計要求。此時的試驗特別指變壓器的靜態(tài)試驗。

結(jié)語：總的來說，科技水平不斷提高，社會多個行業(yè)對電源的需求不斷增加。因此，改進電源技術具有重要意義，這也是提高社會經(jīng)濟發(fā)展水平的有效措施。因此，需要注意高頻電壓開關的設計和應用進行研究分析。

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