高频开关电源变压器改进设计探讨

摘 要：科学技术飞速发挥背景下，对于开关电源的研究开始朝着高功率密度化会被高频化的方向发展，作为其核心的变压器设备也面临着许多新的要求，需要进行优化和改进，以更好地适应高频开关电源的应用需求。本文从高频开关电源变压器的结构组成和类型出发，对其改进设计进行了分析和探讨。

关键词：高频开关电源；变压器；改进设计

前言：新时期，社会对于电能的需求持续增长，各类电子设备在人们的日常工作和生活中得到了普及。作为电子设备中不可或缺的组成部分，电源是保证设备正常稳定运行的关键，而对于开关电源，变压器是核心部件，可以进行能量的转换与传输，想要提升高频开关电源的性能，就必须从变压器的优化设计着眼。

1 高频开关电源变压器结构组成及类型

广义上，开关转换器指所有利用半导体功率开关器件作为开关管，能够实现高频开通和关断控制，促进电能形态转换的装置。以开关转换器为核心，配合闭环自动控制系统来对输出电压进行稳定，加上相应的保护装置，就构成了开关电源。高频开关电源简单来讲，就是利用高频DC/DC转换器作为开关电源工作中的开关转换器。

高频开关电源变压器的结构组成包括了整流滤波电路、开关型功率变换器、交直流转换电路和控制电路等，依照不同的分类方式，可以将其分为多种不同的类型：如果依照变压器的驱动方式，可以将高频开关电源变压器分成自激式和他激式；如果依照电路本身拓扑结构，同样可以将其分为两种，一是隔离式，包括了正激式、反激式、全桥式、半桥式以及推挽式等；二是非隔离式，包括了升压型、降压型等；如果依照开关条件，可以将其分为硬开关和软开关[1]。

2 高频开关电源变压器改进设计

2.1改进设计参数

对于高频开关电源变压器而言，各种设计参数并非独立存在，彼此之间存在相互依存和相互制约的关系，因此技术人员在对设计参数进行确定时，不能一概而论，也不能单纯考虑某一个参数，而是必须针对所有的参数进行细致分析，依照其本身的应用场合及功能需求，有限满足关键参数，然后在去考虑其他参数的影响。考虑不同参数之间彼此依存和制约的关系，应该适当做好设计参数的改进和优化工作，尽可能保证各项参数最优化。但是实际上，很多参数都存在彼此矛盾的关联，如变压器效率与体积之间的矛盾、分布电容和漏感的矛盾等，想要保证设计参数优化的效果，可以从一些主要参数着眼：一是分布参数。对于高频变压器而言，漏感和分布电容都属于非常重要的分布参数，其会在高频下对开关电源的性能产生巨大影响。在开关式变换器中，漏感可以引发电压尖峰问题，导致电路中部分元器件的损坏，分布电容不仅会引发电流尖峰，还会导致充电时间的延长，造成开关和二极管损耗，继而降低变压器运行的效率及可靠性。因此，在优化设计环节应该尽可能减小变压器分布参数，如果采用的是谐振式变换器，能够对变压器的分布参数进行吸收和利用，将其作为谐振参数的部分或全部，要求设计人员必须做好分布电容和漏感的准确设计；二是温升。变压器运行过程中，铁芯和绕组会出现发热问题，导致变压器温升，产生的热量会通过对流和辐射在周边环境中传递。从保证设备运行安全的角度，应该对温升问题进行有效控制，避免过高的温度烧毁变压器绕组，或者导致变压器热击穿等故障。在针对变压器温升进行计算的过程中，可以将磁芯与绕组的损耗结合在一起，而为了方便计算，可以假定热量在经过磁芯及绕组后，会在表面均匀散失；三是损耗及效率。输入输出功率的差值通常被称为变压器功率损耗，包含了磁芯损耗和绕组损耗两部分。当运行电压固定不变的情况下，变压器铁损并不会顺着负载电流的波动变化，因此其一般会被称为不变损耗，在忽略励磁电流的情况下，铜损与负载电流的平方成正比，这也使得铜损被称为可变损耗。针对变压器进行相应的短路测试以及空载试验，可以看出，电压额定时的铁损在变压器正常工作时基本保持不变，负载额定时的铜损则会随着复杂的变化而随之改变[2]。

2.2改进目标

在对高频开关电源变压器进行优化设计时，应该设置明确的优化目标，即在保持变压器性能的前提下，缩减变压器的体积和质量，提升其频率，使得各项参数能够满足变压器运行需求。为了能够实现变压器效率的最大化，设计人员在进行设计的过程中，需要遵循两个基本原则，一是确保变压器铁损和铜损相等，二是确保变压器初次绕组时损耗相等；为了缩减变压器体积，应该在保证基本性能的前提下，尽量选择恰当的变压器磁芯及绕组结构。

2.3改进设计方法

高频开关电源变压器优化设计环节，还应该对设计方法进行改进和创新，以最新的纳米晶带材料为例，其磁芯结构可以是环形，也可以是矩形，设计人员在对磁芯结构进行设计的过程中，应该根据变压器的实际工作条件、初级绕组匝数和绕组结构，确定变压器磁芯截面积以及绕组尺寸。在这种情况下，决定高頻开关电源变压器的损耗、温升、体积、质量的因素有很多，如初级绕组匝数、次级绕组匝数等。针对环形和矩形两种不同磁芯结构，设计人员需要做好全面细致分析，就不同层次及匝数下的变压器体积、质量、损耗等进行对比，提出更加优越的设计方案。相关实验分析数据表明，在功率不变的情况下，矩形磁芯的结构更加紧凑，一方面是因为环形变压器会占用部分磁芯来进行固定，矩形变压器则可以直接利用下侧磁芯完成固定；另一方面则是因为环形变压器绕组内侧较长，会降低磁芯窗口利用率，在中心位置出现冗余空间，与之相比，矩形变压器磁芯窗口不会受到影响，利用率较高[3]。

结束语

总而言之，开关电源本身属于直流稳态电源的的一种，运行效率高、发热量低，体积较小，在实际运行中性能相对稳定，在工业、军事、电子设备等方面有着相当广泛的应用。变压器作为高频开关电源中的重要组成部分，其性能和运行效果会对开关电源的使用产生不容忽视的影响，需要设计人员做好变压器设计的优化与改进，对其中存在的技术问题进行解决，以更好地适应时代发展要求。

参考文献

[1]冯立超.高频开关电源变压器的设计及应用[J].无线互联科技，2018，（2）：78-79.

[2]常乐.高频开关电源变压器的优化设计及其应用[J].电子技术与软件工程，2017，（1）：235.

[3]曹苗.高频开关电源的研究与设计[D].西安理工大学，2013.

作者简介

黄文章（1993—），男，汉族，浙江省温州市人，电气硕士在读，单位：武汉理工大学自动化学院，研究方向：开关电源变压器。

（作者单位：武汉理工大学）