高频变压器的设计方法及其应用研究

　　【摘要】首先论述了设计高频变压器的基本原则，分析了高频变压器设计的基本要求。阐述了高频变压器的设计方法，详细讨论了磁芯材料、磁芯结构、磁芯参数、线圈参数、组装结构和工作点确定等各个方面设计时应该注意的问题。运用面积相乘(AP)法设计了一款实际应用的高频变压器。最后简介了高频变压器的发展方向和应用前景。
　　【关键词】高频变压器 面积相乘法 磁芯材料 线圈参数
　　【中图分类号】TM433【文献标识码】A【文章编号】1009-8585(2011)02-00-03
　　
　　1 引言
　　电子变压器、半导体开关器件、半导体整流器件和电容器一起，被称为电源装置中的四大主要元器件[1]。电子变压器作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。高频变压器是指工作频率大于等于20KHz的变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也可以用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器。一般传送功率比较大的，工作频率比较低；传送功率比较小的，工作频率比较高。高频电子变压器和它的发展方向最近成为电子变压器行业关注的一个焦点。电子设备小型化和轻量化的需求日益突出，因此，对于占用电子设备很大体积和重量的电感变压器相应向高频化的方向发展。同时，器件也由传统的插件向表面贴装的方向发展，笔记本电脑的日益普及，各种数码消费电子和汽车电子的蓬勃发展，都为高频电感变压器的发展提供千载难逢的机会。在DC-DC转换器中，更低的电压，更高的电流的发展趋势，对相应的高频电子变压器的设计提出更高的要求。
　　2 高频变压器的设计原则与设计要求
　　1) 高频变压器的设计原则。高频变压器作为一种产品，与其他商品一样，设计原则是在具体使用条件下完成具体功能中追求性能价格比最好。产品虽然性能好，但如果价格不能为市场接受也会遭冷落和淘汰。
　　2) 高频变压器的设计要求。以设计原则为出发点，高频变压器的设计要求包括：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。使用条件包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。可靠性是指在具体的使用条件下，高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止[2]。电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。高频变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩[3]，高频变压器产生电磁干扰的原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。高频电源变压器完成功能有三个：功率传送，电压变换和绝缘隔离。加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边；电压变换是通过原边和副边绕组匝数比来完成；绝缘隔离通过原边和副边绕组的绝缘结构来完成。提高效率是对电源和电子设备的普遍要求，也是高频变压器的一个设计要求，一般效率要提高到95％以上。高频电源变压器损耗包括磁芯损耗（铁损）和绕组损耗（铜损），变压器的铁损和铜损的比例随变压器的工作频率发生变化。一般在50Hz工频下，铜损远远超过铁损，随着工作频率升高，铜损下降，而铁损随着工作频率升高而迅速增大，铁损是高频电源变压器损耗的主要部分，因此根据铁损选择磁芯材料是高频电源变压器设计的一个主要内容。降低成本也是高频电源变压器的一个设计要求，有时甚至是决定性的要求。
　　3 高频变压器的设计方法
　　高频变压器的设计包括：磁芯材料的选择，磁芯结构的选择，磁芯参数的设计，线圈参数的设计，组装结构的选择和温升校核等内容。
　　3.1磁芯材料的选择
　　设计高频变压器，选择软磁材料是关键的第一步，各种磁芯的特性比较如表1所示。高频变压器磁芯一般使用软磁材料。软磁材料有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度，线圈就能承受较高的外加电压，因此在输出功率一定的情况下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞回环面积小，则铁耗也少[4]。电阻率高则涡流小，铁耗也小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，和其它软磁磁芯材料一样，软磁铁氧体的优点是电阻率高、交流涡流损耗小，价格便宜，易加工成各种形状的磁芯，缺点是工作磁通密度低、磁导率不高、磁致伸缩大、对温度变化比较敏感。它适合高频下使用，因此高频变压器一般采用铁氧体材料作为磁芯。
　　表1 各种磁芯特性比较
　　3.2磁芯结构的选择
　　磁芯基本结构有：①叠片，通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成E、I、F、O等形状，叠成一个铁芯。②环形铁芯，由O型薄片叠成，也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕而成。③C形铁芯，此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺点，由二个C型铁芯对接而成。④罐形铁芯，它是磁芯在外，铜线圈在里，免去环形线圈不便的一种结构形式，可以减少EMI。缺点是内部线圈散热不良，温升较高。高频变压器设计时选择磁芯结构应考虑的因素：降低漏磁和漏感，增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配接线方便等。在高频变压器磁芯结构设计中，对窗口面积的大小，要综合考虑各种因素后来决定。为了防止高频电源变压器从里向外和从外向里的电磁干扰，有些磁芯结构在窗口外面有封闭和半封闭外壳。封闭外壳屏蔽电磁干扰作用好，但散热和接线不方便，必须留有接线孔和出气孔。半封闭外壳，封闭的地方起屏蔽电磁干扰作用，不封闭的地方用于接线和散热。如果窗口完全开放，接线和散热方便，屏蔽电磁干扰作用差。
　　3.3磁芯参数ΔB的选择
　　高频变压器磁芯参数选择时，必须注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制，还要受损耗的限制，同时还与功率传送的工作方式有关。对于磁通单方向变化的工作模式：
　　，ΔB既受饱和磁通密度限制，又受损耗限制。对于磁通双方向变化的工作模式：，工作磁滞回线包围的面积比局部回线大得多，损耗也大得多，ΔB主要受损耗限制，而且还要注意出现的直流偏磁问题[3]。对电感器功率传送方式，磁导率是有气隙后的等值磁导率，一般都比磁化曲线测出的磁导率小[4]。
　　3.4线圈参数的计算与选择
　　高频变压器的线圈参数包括：匝数、导线截面(直径)、导线形式、绕组排列和绝缘安排。原绕组匝数根据外加激磁电压或者原绕组激磁电感(储存能量)来决定，匝数不能过多也不能过少。如果匝数过多，会增加漏感和绕线工时；如果匝数过少，在外加激磁电压比较高时，有可能使匝间电压降和层间电压降增大，而必须加强绝缘[5]。副绕组匝数由输出电压决定。导线截面(直径)决定于绕组的电流密度。还要注意的是导线截面（直径）的大小还与漏感有关。高频变压器的绕组排列形式有：①如果原绕组电压高，副绕组电压低，可以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，原绕组在最外层的绕组排列形式，这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排；②如果要增加原和副绕组之间耦合，可以采用一半原绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组，最外层再绕一半原绕组的绕组排列形式，这样有利于减少漏感。另外，当原绕组为高压绕组时，匝数不能太少，否则，匝间或者层间电压相差大，会引起局部短路。对于绝缘安排，首先要注意使用的电磁线和绝缘件的绝缘材料等级要与磁芯和绕组允许的工作温度相匹配。等级低，满足不了耐热要求，等级过高，会增加不必要的材料成本。其次，对在圆柱形磁路上绕线的线圈，最好采用线圈骨架，既可以保证绝缘，又可以简化绕线工艺。另外，线圈最外层和最里层，高压和低压绕组之间都要加强绝缘。如果一般绝缘只垫一层绝缘薄膜，加强绝缘应垫2～3层绝缘薄膜。
　　
　　3.5组装结构的选择
　　高频变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组装结构，上下表面比较大，有利于散热；其它的都采用立式结构。另外，组装结构中采用的夹件和接线端子等尽量采用标准件，以便于外协加工，降低成本。
　　3.6工作点的确定
　　对于新买来的磁芯，由于厂家提供的磁感应强度值并不准确，一般先要粗略测试它，具体方法：将调压器接至原线圈，用示波器观察副线圈输出电压波形，将原线圈的输入电压由小到大慢慢升高，直到示波器显示的波形发生奇变，此时磁芯已饱和，根据公式：U＝4.44fN1Φm可推知在Φm值。
　　3.7变压器磁芯的具体计算方法
　　高频变压器铁芯的设计方法有几种，这里我们介绍一种AP法[6]。主要过程：先是求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积Ae的乘积AP，再根据AP值，查表找出磁性材料的编号，然后选择合适的铁芯材料。设原边NP匝，副边NS匝的变压器，在原边加电压V1时，根据法拉第定律有：
　　(1)
　　式中：Kf为波形系数，即有效值和平均值之比，正弦波为4.44，方波为4；fS为工作频率；BW为工作磁通密度。
　　(2)
　　铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数K0(一般取0.4)为有效面积[7]，该面积为原边绕组NP占据的窗口面积与副边绕组Ns占据的窗口面