高频开关电源变压器的设计及应用

冯立超

摘 要：文章以开关电源的应用背景和现状为出发点，对高频开关电源变压器进行了多方面的优化设计，包括磁芯损耗分析、绕组损耗分析、损耗与效率计算、分布参数的优化等，为高频开关电源设计的相关研究提供有益的借鉴。

关键词：高频；开关电源；变压器；损耗；优化设计

开关电源变压器是开关电源实现的核心技术，也是决定开头电源性能的关键部件。提高开关电源的频率是实现开关电源小型化、轻型化、平面化和智能化的重要途径。然而，我国市场上的开关电源变压器产品多以0.3 MHz以下频率为主[1]，与国外的水平还有很大的差距，严重制约了我国电子产品小型轻量化的发展进程。为此，本文对开关电源变压器的原理和优化等问题进行了深入的研究，这对我国开关电源产品的设计具有一定的参考意义。

1 国内外研究现状及技术瓶颈

1.1国内外研究动态

20世纪60年代以前，电子产品中的电源均采用线性电源，这种电源由于原理的局限，工作损耗和体积重量都很大，后来逐渐被开关调节器式的直流稳压电源所代替[2]。开关电源的集中研究始于20世纪末.开关电源当时是以脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）方式的DC/DC变换器研究走进人们的视野的。在半导体和高频磁性材料等新兴材料问世后，开关电源的频率很快又增长到了20-50 kHz的数量级。目前国外0.5-3 MHz开关电源技术已经市场化[3]。然而，我国自主研发的开关电源变压器产品仍以0.3 MHz以下频率为主，高频开关电源的研究势在必行。

1.2开关电源技术瓶颈

尽管开关电源在近年来有了跨跃式的发展，但随着其频率和功率密度的进一步提高，变压器磁芯和绕组的损耗和损耗问题也越来越严重，同时漏感和分布电容等现象也制约了开关电源的进一步发展。因此，近年来相关学者又把研究重点放到了高频变压器漏感和分布电容的计算和抑制上来，从而出现了一系列先进的软磁材料，并发展了有限元等仿真方法，使高频开关电源变压器又有了新的发展势头刚。

2 高频开关电源理论基础

2.1高频开关电源

高频开关电源（ Switching Mode Power Supply，SMPS）是一种高频电能转换装置，可以将一个位准电压通过不同的方式转换为期望的电压或电流。其核心原理是通过MOSFET或IGBT等电子元器件的高频状态切换来实现电能的调节。高频开关电源的结构各不相同，但从原理上看都是由主电路、控制电路、检测电路和辅助电源4部分构成的[5]。

2.2串联谐振电路

高频开关电源的开关方式有硬开关和软开关两种。其中前者多采用PWM控制方式，由于频繁的通断会产生额外的开关损耗，并且损耗值与开关频率成正比，另外还会产生分布电感和寄生电容等附加损耗，严重限制了开关频率的进一步提高。软开关利用谐振原理使电源在通断切换过程中并不承受电压，因此大大减小了不必要的耗损。

2.3高频变压器

高频变压器通常是指工作频率在中频以上的电源变压器，它是开关电源的核心组件，其输出电压是由各绕组线圈的匝数比例决定的，输出功率则与工作频率有很大的关系。开关电源多采用半桥式功率转换电路来实现电能转换，两桥臂上的两个开关元件以高频进行轮流导通，从而形成高频脉冲波，再由高频变压器降压即可输出低压交流电。变压器的漏感和分布电容是影响其性能的主要因素。

3 高频开关电源变压器的设计

3.1磁芯损耗分析

高频变压器所采用的磁芯材料必须具备低损耗、稳定性好、温度特性优良、饱和磁感应强度高等特性，业内最常见的磁芯材料包括软磁铁氧体、坡莫合金和非晶态合金3种，其中应用最广的当数锰锌铁氧体。该种材料具有较高的磁导率和居里温度、温度特性稳定且具有明显的负温度特性，可以较好地解决高频变压器的容量、损耗、体积、重量、散热等一系列问题。

从磁芯损耗上考虑，鉴于传统的硅钢和铁氧体等损耗模型己不能满足高频领域的性能要求，可以采用低矩形比的新型铁基纳米晶合金，在串联谐振电路单元中，通过把一个完整的充电周期切分为多个开关子周期，由各子周期磁通密度的增量求出相应的功率损耗，最后通过求和即可计算出磁芯在充电过程中的平均铁损。

3.2绕组损耗分析

高频变压器的绕组损耗主要取决于绕组的直流电阻、电流有效值和交流电阻系数3个参数。一般来说，绕组的交流电阻比直流电阻要高，这是因为绕组中存在一定的集肤效应和邻近效应。因此，交流电阻系数又成为绕组损耗分析的重中之重。

高频电流在相邻的导线中流动时，受磁效应影响会使电流聚集在一侧，相信导线越多，偏聚效应越明显，因此，对于绕组损耗来说，邻近效应比趋肤效应更为关键。在导线选用时，应尽量选择直径小两倍集肤深度的导线，或者通过小直径、多股并绕的方式减少绕组损耗。

3.3参数优化

3.3.1损耗与效率计算

变压器在工作时，并不能把所有的输入能量都转化为有用的功率，总有一部分能量会被浪费掉，这就是变压器的损耗。损耗现象的直接结果就是导致变压器的效率降低，性能下降。变压器损耗由两部分构成，即磁芯损耗和绕组损耗。正常情况下，磁芯损耗P是保持不变的，但绕组损耗与负载电流的平方成正比。因此变压器总损耗可表示为

假如不考虑次级电压的变化，则变压器输出有功功率可表示为：

其中S2N为变压器次级额定容量，COS（p2是变压器功率因数。则变压器的效率为：

对β求导即可求出变压器最大效率。

3.3.2分布参数计算

对于高频变压器设计而言，分布参数应包含漏感和分布电容两个方面。漏感会产生冲击电压给变压器带来隐患，而分布电容则会产生冲击电流并使充电周期加长。它们共同给高频变压器施加了不良影响，降低器件的可靠性，因此需要通过计算来减少这两个量的值。

考虑到最常采用的是同轴圆筒式绕组，假设线圈高度比层间距离大许多，线圈中的磁场没有外露并且是均匀分布的，则变压器漏感L可表示为

其中，Ⅳ1代表初级绕组的总匝数，p代表绕组匝长的平均值，h代表高度，Al2，△2k分别代（初次和次级绕组的层间间距，d1，d2k分别代表初级和次级绕组的线径，m代表次级绕组层数。可见，要使L尽量变小，在制作变压器时，可以尽量减小Nl，h，3个参数，或者尽量增大h。同时，绕组在磁心上的绕制工艺必须合理，可采用交替绕制方法，且达到高度均匀化。这样即可实现高频变压器漏感的进一步优化。

下面讨论分布电容的优化方案。为了简化计算分布电容，本文把线圈展开等效成平板，从而将圆柱形电容转化为平板电容，即折算回初级的总分布电容Cy可描述为：

其中，n为变比，s。，s，分别为真空介电常数和材料介电常数，△，表示绝缘间距。

可见，要使Cr尽量减小，在制作变压器时，应尽量减小材料介电常数和绕组面积，尽量增大繞组间距，工艺上尽量使用分段分层的绕制方式。这样即可实现高频变压器分布电容的进一步优化。

4 高频开关电源变压器的应用

基于本文的分析，纳米晶带材符合磁心材料的选用标准，其常用的形状一般有矩形和环形两种。为了得到优化参数，本文采用Matlab软件对磁心的各项参数进行了仿真。实验发现，矩形磁心采用6匝初级绕组和三层绕制的次级绕组时体积、总耗损和分布电容都达到了最小，较易达到设计要求。

[参考文献]

[1]王小波.开关电源中高频变压器的加工工艺[J]电源世界，2012 （6）：58-59.

[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 （2）：28.

[3]张学廷.如何进一步优化高频开关电源变压器[J].科技创新与应用，2015 （3）：122-123

[4]刘毅力，苑博.高频变压器分布参数的实验研究[J]现代电子技术，2015（2）：141-144.

[5]刘燕，瞿超，鲁明丽.基于TOP243Y的多路输出开关电源高频变压器的优化设计[J]功能材料与器件学报，2014 （1）：42-47.