高频开关电源变压器优化设计分析

王珍

摘 要：电源开关在电源系统中的作用十分显著，且近年来，技术的发展，使开关电源逐渐向高频方向发展，为了使变压器能充分发挥它的主要功能，为电源传输和转换高频开关电源所需要的能量，满足人们对于开关电源的高要求，就要对其核心部件变压器进行优化设计。从变压器的主要构成和分类入手，对变压器的设计参数进行合理地选取，确定优化目标，采取合理的优化设计方法。

关键词：高频；开关电源；变压器；优化设计；

电源变压器间接起着使电子设备正常工作的作用，如何对电源变压器进行优化，使开关电源的高频化与高功率密度化得到有效体现，这是相关人员应该研究的。本文主要针对高频开关电源变压器的优化设计进行分析。

一.高频开关电源变压器的主要概况

1、高频开关电源的形成

开关转换器就是借助于开关管，对其的开合状态进行高频控制，主要目的是使电能的形态适用于开关，开关管一般来说具备的是半导体功率。开关电源是将电源转换器作为关键构件，将其输出电压控制在一定范围内，并对电路起到一定的保护作用。在开关电源进行工作时，可以借助于高频DC/DC转换器，使开关电源转换器具备高频化，这就形成了高频开关电源。

2、高频开关电源的主要构成

有四部分，分别是开关型功率变换器，整流滤波电路，交流直线转换电路以及控制电路[1]。

3、变换器的分类方式

分类方式有五种，其一是按驱动方式进行分类，主要是自激式和他激式。其二是依据拓扑结构进行分类，主要是隔离式和非隔离式。而隔离式又分为正、反激式，全、半桥式，推免式，非隔离式又分为升、降压型。其三是根据输入输出间的电器隔离有无情况，分为隔离式和非隔离式。其四是按照DC转换器和开关条件分为软、硬开关两种。其五根据电路组成可以分为谐振型和非谐振型。

4、变压器的主要构成

变压器的主要结构就是磁芯和绕组。磁芯的工作状态有两种，一种是双极性，一种是单极性，这两种工作状态的出现和输入高频开关电源变压器的波形有关[2]。磁芯在变压器中发挥作用时，会产生损耗，经研究，这些损耗分别是磁滞损耗，涡流损耗以及剩余损耗。绕组的损耗则主要是直流和交流状态下的损耗。为了减小绕组的损耗，就要对组成绕组的绕线材料进行选择，避免选择细导线，将电流密度控制在满足要求的范围内，对导线直径也应严格要求，使其大小适中。

二.高頻开关电源变压器优化设计

1、设计参数选取

在变压器发挥作用前，要对其的相关参数进行设计，这些参数之间存在制约，并不能同时对这些参数进行标准设置，比如变压器的规模大小和功率、漏感和分布电容等，所以在不同的应用场合，先要考虑适合此种场合的相关参数，对于其他相互依存的参数稍后考虑。高频变压器需要设计的参数有很多，文章主要选取影响力比较大的参数进行分析，主要有三方面。

其一温升。变压器长时间处于工作状态，会使得内部的铁芯不能保持原有的性能，使绕组有烧焦的味道，这是因为这些部件在运行时会摩擦生热，传递给变压器，使其本身成为热源，还会通过辐射和对流，使周围的环境受到温升的影响，严重时，会使变压器产生热击穿问题，对变压器的使用周期造成威胁[3]。相关人员在意识到温升的后果，就要对其进行优化控制，将相关部件产生的热量集中到一起，对其进行集中处理，使优化处理后的热量得到有效分散，不会对变压器本身以及周围的环境产生热影响。

其二是分布参数。分布参数主要包括漏感和分布电容，这两者对于高频开关电源变压器产生不同程度的损坏。不同种类的变换器，对于分布参数的处理方式不同，可以将开关式的变换器作为研究对象，经研究发现，漏感能使电路中的电压在短时间内急剧增大，一直到峰值，作用于电路中的相关器件，这些器件没有充足的反应时间，从而导致其不能维持原有的功能；分布电容会在短时间内，促使电流急剧增大到峰值，在降低充电效率的同时，使开关和二极管的使用寿命遭到威胁，并不能完全发挥原有的功能[4]。所以为了使变压器的质量受到的影响小一些，要对分布参数进行优化设置，可以使其尽可能地减小，两者在实际的变压器运行中，属于相互作用和相互制约的，不能同时减小，对其进行优化时，要慎重选择要减小的参数值。对于谐振式变换器，就可以直接对分布参数值进行准确设计，因为这种变换器可以将分布参数吸收为谐振参数的一部分，会对其进行利用。

其三是损耗与效率。变压器在正常工作时，会消耗部分功率，这就是输入功率和输出功率不对等的原因，损耗的功率主要作用于磁芯和绕组，组成变压器的金属有铁和铜，在不同的条件下，产生的损耗变化也有所差异。通过变压器的短路试验和空载试验就可证明这一结论，为铁损提供额定电压，测量这个条件下，铁损的变化，发现其和负载电流无关，不会发生损耗程度的变化，相反，铜在额定负载条件下，其损耗会因负载不同，产生不同程度的损耗，一般和电流的平方呈正相关。

2、优化目标

对高频开关电源变压器进行优化，主要目的就是使其原有的性能得到完善，使其整体规模变小，重量减轻，高频化和高功率密度化性能更显著，还要使变压器的各种相关参数得到合理的设置，总之就是使变压器在开关电源中的核心地位得到体现，使其对开关电源的作用力更大。确立了具体的优化目标，就要充分考虑影响目标实现的因素，分别进行优化设计。比如为了使其效率达到最大，就要使变压器的绕组初次发挥作用时的损耗程度得到控制，铜损和铁损是等同的。为了使变压器的体积和重量便于携带，对组成变压器的结构磁芯与绕组要慎重合理选择。

3、优化设计方法

磁芯和绕组作为变压器的主要构件，不同的表现形态对于变压器的性能影响不同，为了使变压器得到有效优化，就要对不同状态下的构件进行比较选择。首先是磁芯结构，磁芯结构主要有矩形和环形两种，在这两种形态的基础上，结合变压器作用的电子设备种类，对初级绕组匝数和绕组结构进行合理的设置选择，因为它们直接影响着磁芯截面积的大小，绕组尺寸以及磁芯窗口面积的控制情况[5]。所以在进行变压器的优化设计时，在保证进行绕组的匝数和层数不同的前提条件下，比较变压器的体积、重量和损耗程度，选出最优方案。

三.高频开关电源变压器的应用

经过比较，发现矩形磁芯相比环形磁芯在等同的条件下，会有不同的表现，前者表现更为紧凑，原因有两方面。其一是变压器在作用时，需要对其进行固定，环形磁芯组成的变压器会占用部分磁芯，而矩形变压器则是借助于下侧磁芯。其二两种形态的变压器的绕组内侧长度对于磁芯窗口的影响不同，环形变压器因为有较大的冗余空间，使得磁芯窗口不能完全发挥它的功能，而矩形变压器的磁芯窗口则不受影响，还是会得到有效利用。

结语

信息化时代，各种功能的电子设备层出不穷，而这些电子设备的正常运行，需要借助高频开关电源，如何使开关电源更加高频化和高功率密度化，如何使其更加便于携带，就要对电源开关的变压器的各种参数进行合理设计，对组成变压器的磁芯与绕组进行材料和形态的选择，以使变压器得到最优的设计方案，为开关电源的质量提供保障。

参考文献：

[1]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，（01）：235.

[2]甘焯欣.高频开关电源变压器优化设计分析[J].电子制作，2016，（02）：28.

[3]孙筱琳，李国勇，王志海.高频开关电源变压器的设计分析[J].自动化技术与应用，2008，（06）：53-56.

[4]王誉天.高频开关电源变压器的设计要求和方法[J].警察技术，2010，（06）：26+35.

[5]姬海宁，兰中文，张怀武.高频开关电源变压器的设计方法[J].磁性材料及器件，2014，（02）：31-35.