一种高效低耗开关变压器设计分析

傅贵兴/宜宾职业技术学院

一种高效低耗开关变压器设计分析

傅贵兴/宜宾职业技术学院

根据变压器在开关电源中的作用和工作状态，分析了在高频情况下工作的开关变压器能量损耗的原因，提出了高频变压器用铁氧体磁芯设计方法，以及变压器主要参数选择和绕组绕制方法，解决了开关电源中变压器如何节能降耗的问题，具有现实意义。

开关；变压器；磁芯；绕组

0.引言

随着电子信息技术的不断发展，各类电子设备的电源系统在客观上要求小化、轻量化和高可靠性，制约这个目标实现的根本技术就是开关电源高频化技术。开关电源变压器是开关电源的关键部件，是实现能量转换和传输的主要器件，同时该器件又是开关电源体积和重量的主要占有者和发热源。因此，要实现开电源的小型轻量化、低能耗化和高可靠性的目标，关键在于开关电源变压器高频环境下的设计问题。

1.开关变压器工作情况

开关电源变压器主要由铁芯、绕组 、和绝缘部分组成。在现代的机械电子装备中，有着各种形式的开关电源，为了节能降耗，在电路设计中采用工作频率较高，耗散功率小的场效应管作为开关元件，工作在脉冲状态，但是，采用传统变压器铁芯，频率升高又使变压器的铁损增加，发热量加大，严重时容易损坏变压器，解决这一问题的关键就是对对变压器进行重新设计。

2.变压器材料选择

2.1 磁芯材料的选择

设计高频变压器，选择材料是关键的第一步，传统开关电源变压器铁芯采用的的是硅钢片叠装而成，低频下能很好的发挥作用，而在高频下涡流增加，损耗加大。高频变压器磁芯一般使用铁氧体材料比较理想。铁氧体材料有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。较高磁导率使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。矫顽力低可以减少铁损。铁氧体材料分为硬磁和软磁两种材料，图1和图2为两种磁性材料特性对比，硬磁材料磁滞回线面积大，铁损相对也较大,软磁铁氧体磁滞回线面积很小，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，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软磁材料磁芯。

图1 硬磁性材料图

图2 软磁性材料

2.2 材料满足的要求

开关电源用铁氧体磁性材料应满足以下要求：

（1）具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定影响。从理论上讲，Bs高，变压器的绕组匝数可以减小，铜损也随之减小。

（2）在高频下具有较低的功率损耗，较高电源输出效率，否则会导致磁芯发热，波形畸变等不良后果。

采用磁芯变压器产生的损耗主要铜损和磁芯损耗。如果在设计变压器时，Bm选择过低，绕组匝数过多，就会导致绕组发热，并同时向磁芯传输热量，使磁芯发热。反之，若磁芯发热为主体，也会导致绕组发热。

选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。这是因为，假如磁芯损耗为发热主体，使变压器温度上升，而温度上升又导致磁芯损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点。

（3）适中的磁导率

相对磁导率究竟选取多少合适呢!要根据实际线路的开关频率来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。对于高于这一频段的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。

（4）材料的居里温度

居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温度在200℃以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80℃，这是因为在100℃以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70％。因此过高的工作温度会使磁芯的饱和磁通密度跌落的更严重。再者，当高于100℃时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。对于变压器材料选R2KB材料，其允许功耗对应的温度已经达到110℃，居里温度高达240℃，满足高温使用要求。

3.新型开关线圈参数与绕法

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。原边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。其值N按下式计算：

N1 = 0.225V1/( fBS )

副边绕组的匝数多少由输出电压决定。近似计算可按N2= N1V2/V1,导线截面决定于通过绕组的电流密度。此外在考虑导线截面(直径)的大小还要注意考虑漏感因素的影响。

开关变压器绕制时，为尽量减小漏感，对于次级有二个及以上的绕组时，宜将初级线圈放置于两个次级线圈的中间。高频开关变压器若原边绕组电压高,副边绕组电压低,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;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。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。

4.结语

工作在高频下的开关变压器，为了提高效率，降低损耗，延长寿命，在设计时要充分考虑变压器的工作条件，需要综合考虑磁路材料，尺寸，绕制方法和绝缘等因素的影响，方能时开关变压器工作在最佳状态，从而使开关电源的质量得以保证。

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[4]周志敏，纪爱华，周纪海.变压器实用技术问答.北京：电子工业出版社，2004.

According to the transformer in the role of switch power supply and working status, working under the condition of high frequency switch transformer is analyzed the cause of energy loss, put forward the design method of high frequency transformer with ferrite core, and the main parameter selection and transformer winding method, solve the problem of how to saving energy and reducing consumption of the transformer in the switching power supply, has the practical significance.

switch；transformer；Magnetic core；winding

傅贵兴（1957-），男，四川宜宾人，宜宾职业技术学院，高级工程师，主要研究方向：机电设备控制技术与管理。