開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)2023/2/61第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日●高頻變壓器設(shè)計(jì)程序：1.磁芯材料2.磁芯結(jié)構(gòu)3.磁芯參數(shù)4.線圈參數(shù)5.組裝結(jié)構(gòu)6.溫升校核

2023/2/62第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.磁芯材料軟磁鐵氧體由于自身的特點(diǎn)在開關(guān)電源中應(yīng)用很廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)格便宜，易加工成各種形狀的磁芯。缺點(diǎn)是工作磁通密度低，磁導(dǎo)率不高，磁致伸縮大，對溫度變化比較敏感。選擇哪一類軟磁鐵氧體材料更能全面滿足高頻變壓器的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行認(rèn)真考慮，才可以使設(shè)計(jì)出來的變壓器達(dá)到比較理想的性能價(jià)格比。2023/2/63第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.磁芯結(jié)構(gòu)選擇磁芯結(jié)構(gòu)時考慮的因數(shù)有：降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配接線方便等。漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。如果磁芯不需要?dú)庀?，則盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯。2023/2/64第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日2023/2/65第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日3.磁芯參數(shù)：磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中，要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時還與功率傳送的工作方式有關(guān)。磁通單方向變化時：ΔB=Bs-Br，既受飽和磁通密度限制，又更主要是受損耗限制，（損耗引起溫升，溫升又會影響磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.6～0.7ΔB開氣隙可以降低Br,以增大磁通密度變化值ΔB，開氣隙后，勵磁電流有所增加，但是可以減小磁芯體積。對于磁通雙向工作而言：最大的工作磁通密度Bm，ΔB=2Bm。在雙方向變化工作模式時，還要注意由于各種原因造成勵磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問題?？梢栽诖判局屑右粋€小氣隙，或者在電路設(shè)計(jì)時加隔直流電容。2023/2/66第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日2023/2/67第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日4.線圈參數(shù)：

線圈參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面（直徑），導(dǎo)線形式，繞組排列和絕緣安排。導(dǎo)線截面（直徑）決定于繞組的電流密度。通常取J為2.5～4A/mm2。導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮趨膚效應(yīng)。如必要，還要經(jīng)過變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整。2023/2/68第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日4.線圈參數(shù)：一般用的繞組排列方式：原繞組靠近磁芯，副繞組反饋繞組逐漸向外排列。下面推薦兩種繞組排列形式：1）如果原繞組電壓高（例如220V），副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排；2）如果要增加原副繞組之間的耦合，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的排列形式，這樣有利于減小漏感。2023/2/69第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日5.組裝結(jié)構(gòu)：高頻電源變壓器組裝結(jié)構(gòu)分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結(jié)構(gòu)。6.溫升校核：溫升校核可以通過計(jì)算和樣品測試進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)溫升低于允許溫升15度以上，適當(dāng)增加電流密度和減小導(dǎo)線截面，如果超過允許溫升，適當(dāng)減小電流密度和增加導(dǎo)線截面，如增加直徑，窗口繞不下，要加大磁芯，增加磁芯的散熱面積。2023/2/610第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日功率變壓器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三大類：（1）反激式變壓器；（2）正激式變壓器；（3）推挽式變壓器（全橋/半橋變換器中的變壓器）磁芯結(jié)構(gòu)適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如下頁表所示：2023/2/611第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日磁芯結(jié)構(gòu)變換器電路類型反激式正激式推挽式Ecores

++0PlanarECores

-+0EFDCores

-++ETDCores

0++ERCores

0++UCores

+00RMCores

0+0EPCores

-+0PCores

-+0RingCores

-++‘+’=適合；‘0’=一般；‘-’=不適合2023/2/612第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日磁芯材料的選擇應(yīng)注意的問題：

1、軟磁鐵氧體，由于具有價(jià)格低、適應(yīng)性能和高頻性能好等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。

2、軟磁鐵氧體，常用的分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體兩大系列，錳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要應(yīng)用在1MHz以下的各類濾波器、電感器、變壓器等，用途廣泛。而鎳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。

3、在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的是錳鋅鐵氧體磁心，而且視其用途不同，材料選擇也不相同。用于電源輸入濾波器部分的磁心多為高導(dǎo)磁率磁心，其材料牌號多為R4K～R10K，即相對磁導(dǎo)率為4000～10000左右的鐵氧體磁心，而用于主變壓器、輸出濾波器等多為高飽和磁通密度的磁性材料，其Bs為0.5T（即5000GS）左右。

2023/2/613第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日開關(guān)電源用鐵氧體磁性材應(yīng)滿足以下要求：

（1）具有較高的飽和磁通密度Bs和較低的剩余磁通密度Br

磁通密度Bs的高低，對于變壓器和繞制結(jié)果有一定影響。從理論上講，Bs高，變壓器繞組匝數(shù)可以減小，銅損也隨之減小

在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)電源高頻變換器的電路形式很多，對于變壓器而言，其工作形式可分為兩大類：1）雙極性：電路為半橋、全橋、推挽等。變壓器一次繞組里正負(fù)半周勵磁電流大小相等，方向相反，因此對于變壓器磁心里的磁通變化，也是對稱的上下移動，B的最大變化范圍為△B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。

2）單極性：電路為單端正激、單端反激等，變壓器一次繞組在1個周期內(nèi)加上1個單向的方波脈沖電壓（單端反激式如此）。變壓器磁心單向勵磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之間變化，這時的△B=Bm－Br，若減小Br，增大飽和磁通密度Bs，可以提高△B，降低匝數(shù)，減小銅耗。2023/2/614第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日

變壓器或者電感根據(jù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的工作方式分為三大類：1、直流濾波電感工作狀態(tài)，電感磁芯只工作在一個象限。屬于這類工作狀態(tài)的電感有Boost電感、Buck電感、Buck/boost電感、正激以及所有推挽拓?fù)渥儞Q器輸出濾波電感、單端反激變換器變壓器；

2、正激變換器中的變壓器，磁芯也只工作在一個象限，但變壓器要進(jìn)行磁復(fù)位。

3、推挽拓?fù)渲械淖儔浩?，磁芯是雙向交變磁化，屬于這類的變換器有推挽變換器、半橋和全橋變換器、交流濾波電感等。2023/2/615第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日（2）在高頻下具有較低的功率損耗

鐵氧體的功率損耗，不僅影響電源輸出效率，同時會導(dǎo)致磁心發(fā)熱，波形畸變等不良后果。

變壓器的發(fā)熱問題，在實(shí)際應(yīng)用中極為普遍，它主要是由變壓器的銅損和磁心損耗引起的。如果在設(shè)計(jì)變壓器時，Bm選擇過低，繞組匝數(shù)過多，就會導(dǎo)致繞組發(fā)熱，并同時向磁心傳輸熱量，使磁心發(fā)熱。反之，若磁心發(fā)熱為主體，也會導(dǎo)致繞組發(fā)熱。

選擇鐵氧體材料時，要求功率損耗隨溫度的變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。這是因?yàn)?，假如磁心損耗為發(fā)熱主體，使變壓器溫度上升，而溫度上升又導(dǎo)致磁心損耗進(jìn)一步增大，從而形成惡性循環(huán)，最終將使功率管和變壓器及其他一些元件燒毀。因此國內(nèi)外在研制功率鐵氧體時，必須解決磁性材料本身功率損耗負(fù)溫度系數(shù)問題，這也是電源用磁性材料的一個顯著特點(diǎn)，日本TDK公司的PC40及國產(chǎn)的R2KB等材料均能滿足這一要求。2023/2/616第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日（3）適中的磁導(dǎo)率

相對磁導(dǎo)率究竟選取多少合適呢？這要根據(jù)實(shí)際線路的開關(guān)頻率來決定，一般相對磁導(dǎo)率為2000的材料，其適用頻率在300kHz以下，有時也可以高些，但最高不能高于500kHz。對于高于這一頻段的材料，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率偏低一點(diǎn)的磁性材料，一般為1300左右。

（4）較高的居里溫度

居里溫度是表示磁性材料失去磁特性的溫度，一般材料的居里溫度在200℃以上，但是變壓器的實(shí)際工作溫度不應(yīng)高于80℃，這是因?yàn)樵?00℃以上時，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時的70％。因此過高的工作溫度會使磁心的飽和磁通密度跌落的更嚴(yán)重。再者，當(dāng)高于100℃時，其功耗已經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會導(dǎo)致惡性循環(huán)。對于R2KB2材料，其允許功耗對應(yīng)的溫度已經(jīng)達(dá)到110℃，居里溫度高達(dá)240℃，滿足高溫使用要求。2023/2/617第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日●變壓器的設(shè)計(jì)原則及方法設(shè)計(jì)變壓器主要有很兩種方法：面積積AP法AP：磁芯截面積Ae與線圈有效窗口面積Aw的乘積。

PT-變壓器的計(jì)算功率Ae-磁芯有效截面積Aw-磁芯窗口面積Ko-磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為0.4Kf-波形系數(shù)，方波為4，正弦波為4.44Bw-磁芯的工作磁感強(qiáng)度Fs-開關(guān)工作頻率Kj-電流密度系數(shù)，取395A/cm2X-磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)，P107表3-82023/2/618第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日按照功率變壓器的設(shè)計(jì)方法，用面積積AP法設(shè)計(jì)變壓器的一般步驟：1.選擇磁芯材料，計(jì)算變壓器的視在功率；2.確定磁芯截面尺寸AP，根據(jù)AP值選擇磁芯尺寸；3.計(jì)算原副邊電感量及匝數(shù)；4.計(jì)算空氣隙的長度；5.根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑；6.求銅損和鐵損是否滿足要求（比如：允許損耗和溫升）2023/2/619第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日選擇磁芯材料，確定變壓器的視在功率PT；考慮成本因數(shù)在此選擇PC40材質(zhì)，查PC40資料得

Bs=0.39TBr=0.06T為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，取Bm=ΔBmax*0.6=0.198T取0.2T電源的基本參數(shù)如右：選擇反激拓?fù)洹?023/2/620第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.計(jì)算AP（用Excel表格來計(jì)算AP值）變壓器視在功率PT：對于反激拓?fù)鋪碚f，式中：J電流密度，通常取395A/cm2;Ku是銅窗有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)要求和輸出路數(shù)決定，一般取0.2～0.4。在此計(jì)算取0.42023/2/621第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日根據(jù)上圖，選擇大于計(jì)算AP值的磁芯EE3528，相關(guān)參數(shù)是：

Ae:84.8mm2AP：1.3398cm4Wa：158mm2AL：2600nH/H22023/2/622第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日反為了適應(yīng)突變的負(fù)載電流，把電源設(shè)計(jì)在臨界模式：臨界電流I0B=0.8×I0=2.4A3.計(jì)算原、副邊電感量及匝數(shù)2023/2/623第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日原、副邊峰值電流原、副邊及輔助繞組的匝數(shù)2023/2/624第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日為了避免磁芯飽和，在磁回路中加入一個適當(dāng)?shù)臍庀?，?jì)算如下：5.原、副邊及輔助繞組的線徑有兩種方法：1、求裸線面積；2、求導(dǎo)線直徑（J電流密度取4A/mm2)用兩根直徑為0.18mm線并繞，或者用AWG#28單股線

可能要用氣隙磁通邊緣效應(yīng)校正匝數(shù)2023/2/625第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日次級線徑：用4根直徑為0.25mm（AWG#31）的線并繞。電流趨膚深度的計(jì)算多股線并繞時的線徑必須小于或等于dwH，單線繞制時，線徑如果超過dWH值就要考慮采用多股線并繞。2023/2/626第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日

6.計(jì)算銅損Pcu和鐵損Pfe（變壓器總損耗Ploss)a)原邊和副邊繞組損耗。其中，MLT為磁芯的平均匝長

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