高频开关电源变压器的优化设计及其应用

开关电源的未来主要发展方向是高频化和高功率密度化。需要注意的是，变压器是开关电源的核心部件，并且，随着频率与功率逐渐提高，电源开关对电源系统性能的影响日益显著。所以，研究对高频开关电源变压器，对其进行优化设计，并进一步分析其应用是关键。本文主要对高频开关电源变压器的优化设计及其应用进行了分析，希望能够为相关学者提供有价值的参考。

【关键词】高频 开关电源 变压器 优化设计 应用

电源变压器具备的主要功能是隔离绝缘、传送功率以及变换电压。电源变压器是一种主要软磁电磁元件，被广泛运用于电力电子技术和电源技术中。开关电源变压器是开关电源的核心部件，能够转换和传输能量。此外，在开关电源变压器的开关电源中，主要的体积与重量占有者，也是发热源，可以使得开关电源向小型轻量方向发展，并且实现平面智能等目标。因此，开关电源的高频化是重中之重。

1 高频开关电源变压器的主要构成以及分类

通常从广义角度而言，凡是将半导体功率的开关器件作为开关管，经对开关管，进行高频开通，或者是进行关断控制，均会促使电能形态向其他电能形态装置转化，即开关转换器。开关电源是指将开关转换器作为主要组成部件，通过采取闭环自动控制的方式，实现输出电压保持稳定的目标，并且实现在电路中增加保护环节电源。高频开关电源是指采用高频DC/DC转换器，作为开关电源工作状态下的开关转换器。

高频开关电源的基本路线主要是由开关型功率变换器，整流滤波电路，交流直线转换电路及控制电路几部分组成。高频开关电源变压器分为他激式和自激式、隔离式和非隔离式、硬开关以及软开关几类。

2 高频开关电源变压器的优化设计

2.1 设计参数选取

高频变压器的设计参数彼此联系，所以，在具体设计时，针对各个参数应该在合理范围内进行有效折中。基于各类应用场景应当首，首先符合占支配地位的重要影響因素，其次权衡剩余其他参数带来的影响。因为各参数间紧密联系，在设计时，想把一切参数均达到最佳基本上不太可能。如变压器体积和效率二者之间存在的矛盾，漏感合分布电容二者难以同时减小。所以，在高频开关电源变压器优化设计的整个过程中，本文选取了三个相对比较重要的参数，以此展开分析。

2.1.1 温升

在变压器具体工作的整个过程中，铁芯和绕组中的损耗必定会产生一定热量，从而促使变压器温度逐渐升高，与此同时，这些热量通常会采取辐射和对流的方法，在周围环境中相互传递。因此，应该有效控制温升，进而以防绕组被烧，或者是防止变压器热击穿、防止磁芯性能下降的现象出现。并且，在计算变压器的温升时，通常是会将磁芯和绕组的损耗归在，假设热量经过磁芯与绕组后，整个表面积会发生均匀消散的现象。

2.1.2 分布参数

高频变压器的主要分布参数通常是漏感、分布电容。在高频下，分布参数对开关电源性能会产生关键影响。在开关式的变换器上，漏感可以致使电压尖峰，此时电路中的部分器件会受此影响，发生不必要的破坏。同时，分布电容可能会引起电流尖峰，且可以大幅度延长充电时间，从而开关和二极管会受此影响，发生大规模损耗，进而降低变压器效率及可靠性。因此，在这样的工作模式种，需要尽量降低变压器的分布参数。此外，对于谐振式的变换器而言，能够吸收、利用变压器分布参数。所以在这种模式下，要求必须准确设计分布电容和漏感的值。

2.1.3 损耗与效率

本文将输入功率和输出功率二者的差视为变压器功率损耗值，并且，将其分成两个分量，即绕组损耗和磁芯损耗。通常，在额定电压运行的条件下，随着负载电流的不断变化，铁损不会发生变化，所以铁损也被称作是不变损耗。如果忽视励磁电流，铜损和负载电流的平方成正比，所以铜损也被称作是可变损耗。笔者对变压器分别进行了两项实验，即短路试验实验和空载实验，在额定电压下，分别测得铁损耗和额定负载下铜损耗，结果得出铁损在正常工作时依旧保持不变，而随着负载的变化，铜损会发生一系列变化。

2.2 优化目标

高频开关电源变压器优化的目标是尽量使变压器体积向更小的方向发展，因为只有重量达到更轻，频率达到更高，才能保证温升，从而使得分布参数和绝缘满足设计的前提条件。为将变压器的效率实现最大化，需要注意的是，在设计的过程中，应该遵循以下两个基本原则：

（1）保证变压器的铜损和铁损二者相等。

（2）保证在初次绕组时，变压损耗相呈相等状态。

此外，为使得变压器的体积尽量缩小，在设计时必须采用合适的磁芯和绕组结构，以此保证设计的正常进行。

2.3 优化设计方法

现阶段，纳米晶带材的可用磁心结构主要分为矩形与环形。在磁心结构确定后，根据变压器自身指定的工作条件，初级绕组匝数和绕组结构直接决定了变压器的磁芯截面积大小，绕组尺寸和磁心的窗口面积。因此，对于矩形和环形这类磁心结构，一般是需要对不同层次和匝数下，变压器的体积、重量以及损耗等进行具体的比较，进而对高频开关电源变压器采取更加优质的设计方案。

3 高频开关电源变压器的应用

通过将本文的设计进行应用分析可后可知，在变压器功率相同时，矩形磁心比环形磁心更紧凑，主要原因是：

（1）环形变压器通常是会占用部分磁心，从而使变压器保持固定状态，但是矩形变压器可以利用下侧磁心，进而实现固定变压器的目标。

（2）环形变压器的绕组内侧长度，会极大降低磁心窗口实际利用率，以使变压器的中心出现较大冗余空间，但是矩形变压器的磁心窗口利用率通常不会受到任何的影响。

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作者简介

常乐（1984-），女，山西省晋中市寿阳县人。现为山西职业技术学院本科硕士讲师。主要研究方向为应用电子、通信工程。

作者单位

山西职业技术学院 山西省太原市 030006