开关电源高频变压器的设计.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑开关电源高频变压器的设计 变压器根基学识 1、变压器组成： 、变压器组成： 原边(初级primary side ) 绕组 原边(初级 副边绕组(次级secondary side ) 副边绕组(次级 原边电感(励磁电感) 原边电感(励磁电感)--magnetizing inductance 漏感---leakage inductance 漏感 副边开路或者短路测量原边 电感分别得励磁电感和漏感 匝数比： 匝数比：K=Np/Ns=V1/V2 2、变压器的构成以及作用： 、变压器的构成以及作用： 1)电气隔离 ) 2)储能 ) 3)变压 ) 4)变流 )2022-4-28 1 高频变压器设计程序： ●高频变压器设计程序： 1.磁芯材料 1.磁芯材料 2.磁芯布局 2.磁芯布局 3.磁芯参数 3.磁芯参数 4.线圈参数 4.线圈参数 5.组装布局 5.组装布局 6.温升校核 6.温升校核 2022-4-28 1.磁芯材料 1.磁芯材料 软磁铁氧体由于自身的特点在开关电源中应用很广泛 软磁铁氧体由于自身的特点在开关电源中应用很广泛 其优点是电阻率高、交流涡流损耗小，价格低廉， 其优点是电阻率高、交流涡流损耗小，价格低廉，易加 工成各种外形的磁芯。

缺点是工作磁通密度低， 工成各种外形的磁芯缺点是工作磁通密度低，磁导率 不高，磁致伸缩大，对温度变化对比敏感 不高，磁致伸缩大，对温度变化对比敏感选择哪一类 软磁铁氧体材料更能全面得志高频变压器的设计要求， 软磁铁氧体材料更能全面得志高频变压器的设计要求， 举行专心考虑， 举行专心考虑，才可以使设计出来的变压器达成对比理 想的性能价格比 想的性能价格比 2022-4-28 2.磁芯布局 2.磁芯布局 选择磁芯布局时考虑的因数有：降低漏磁和漏感， 选择磁芯布局时考虑的因数有：降低漏磁和漏感， 增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线轻易， 增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线轻易，装配 接线便当等 接线便当等 漏磁和漏感与磁芯布局有直接关系 漏磁和漏感与磁芯布局有直接关系假设磁芯不需 要气隙，那么尽可能采用封闭的环形和方框型布局磁芯 要气隙，那么尽可能采用封闭的环形和方框型布局磁芯 2022-4-28 2022-4-28 3.磁芯参数： 3.磁芯参数： 磁芯参数 磁芯参数设计中， 磁芯参数设计中，要更加留神工作磁通密度不只是 受磁化曲线限制，还要受损耗的限制， 受磁化曲线限制，还要受损耗的限制，同时还与功率传送的工 作方式有关。

磁通单方向变化时： B=Bs-Br, 作方式有关 磁通单方向变化时：ΔB=Bs-Br,既受饱和磁通 密度限制，又更主要是受损耗限制，(损耗引起温升， 密度限制，又更主要是受损耗限制，(损耗引起温升，温升又 ，(损耗引起温升 会影响磁通密度)工作磁通密度Bm= 0.6~0.7 会影响磁通密度)工作磁通密度Bm=0.6~0.7 B )工作磁通密度Bm=0.6 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值Δ 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB,开气隙后，励 Br,以增大磁通密度变化值 开气隙后， 磁电流有所增加，但是可以减小磁芯体积 磁电流有所增加，但是可以减小磁芯体积对于磁通双向工作 而言： 最大的工作磁通密度Bm Bm, 而言： 最大的工作磁通密度Bm, B=2Bm在双方向变化工作 模式时， 模式时，还要留神由于各种理由造成励磁的正负变化的伏秒面 积不相等，而展现直流偏磁问题可以在磁芯中加一个小气隙， 积不相等，而展现直流偏磁问题可以在磁芯中加一个小气隙， 或者在电路设计时加隔直流电容 或者在电路设计时加隔直流电容2022-4-28 6 2022-4-28 4.线圈参数： 4.线圈参数： 线圈参数 线圈参数包括：匝数，导线截面(直径),导线形式， 线圈参数包括：匝数，导线截面(直径),导线形式， ),导线形式 绕组排列和绝缘安置。

绕组排列和绝缘安置 导线截面(直径)抉择于绕组的电流密度通常取J 导线截面(直径)抉择于绕组的电流密度通常取J为 2.5~4A/mm2导线直径的选择还要考虑趋肤效应如 导线直径的选择还要考虑趋肤效应 2.5~ 必要，还要经过变压器温升校核后举行必要的调整 必要，还要经过变压器温升校核后举行必要的调整 2022-4-28 4.线圈参数： 4.线圈参数： 线圈参数 一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯， 一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯，副绕组反 馈绕组逐步向外排列下面推举两种绕组排列形式： 馈绕组逐步向外排列下面推举两种绕组排列形式： 1)假设原绕组电压高(例如220V),副绕组电压低，可 假设原绕组电压高(例如220V),副绕组电压低， 220V),副绕组电压低 以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反应绕组， 以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反应绕组，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 最外层的绕组排列形式， 绝缘安置； 绝缘安置； 2)假设要增加原副绕组之间的耦合，可以采用一半原绕 假设要增加原副绕组之间的耦合， 组靠近磁芯，接着绕反应绕组和副绕组， 组靠近磁芯，接着绕反应绕组和副绕组，最外层再绕 一半原绕组的排列形式，这样有利于减小漏感。

一半原绕组的排列形式，这样有利于减小漏感2022-4-28 9 5.组装布局： 5.组装布局： 组装布局 高频电源变压器组装布局分为卧式和立式两种 高频电源变压器组装布局分为卧式和立式两种假设 选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁 芯， 选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组 装布局 装布局 6.温升校核： 6.温升校核： 温升校核 温升校核可以通过计算和样品测试举行测验温升低 温升校核可以通过计算和样品测试举行 于允许温升15度以上， 于允许温升15度以上，适当增加电流密度和减小导线 15度以上 截面，假设超过允许温升， 截面，假设超过允许温升，适当减小电流密度和增加 导线截面，如增加直径，窗口绕不下，要加大磁芯， 导线截面，如增加直径，窗口绕不下，要加大磁芯， 增加磁芯的散热面积 增加磁芯的散热面积2022-4-28 10 功率变压器根据拓扑布局分为三大类： 功率变压器根据拓扑布局分为三大类： (1)反激式变压器； 反激式变压器； (2)正激式变压器； 正激式变压器； (3)推挽式变压器(全桥/半桥变换器中的变压器) 推挽式变压器(全桥/半桥变换器中的变压器) 磁芯布局适合的拓扑布局形式如下页表所示： 磁芯布局适合的拓扑布局形式如下页表所示： 2022-4-28 磁芯布局 E coresPlanar E Cores EFD Cores ETD Cores ER Cores U Cores RM Cores EP Cores P Cores Ring Cores2022-4-28 变换器电路类型 反激式 正激式 推挽式 + + 0 + 0 + + 0 + + 0 + + + 0 0 0 + 0 + 0 + 0 + +12 ‘+’=适合； ‘0’=一般；‘-’=不适合 + =适合； =一般； = 磁芯材料的选择应留神的问题： 磁芯材料的选择应留神的问题： 软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点， 1、软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点， 而被广泛应用于开关电源中。

而被广泛应用于开关电源中 软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列， 2、软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列， 锰锌铁氧体的组成片面是Fe2O3 MnCO3,ZnO,它主要应用在1MHz Fe2O3, 锰锌铁氧体的组成片面是Fe2O3,MnCO3,ZnO,它主要应用在1MHz 以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛 以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛而镍锌铁氧体 的组成片面是Fe2O3 NiO,ZnO等 主要用于1MHz Fe2O3, 1MHz以上的各种调感 的组成片面是Fe2O3,NiO,ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感 绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等 绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等 在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心， 3、在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用 途不同，材料选择也不一致 途不同，材料选择也不一致用于电源输入滤波器片面的磁心多为 高导磁率磁心，其材料牌号多为R4K R10K, R4K~ 高导磁率磁心，其材料牌号多为R4K~R10K, 即相对磁导率为 4000~10000左右的铁氧体磁心 而用于主变压器、 左右的铁氧体磁心， 4000~10000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等 多为高饱和磁通密度的磁性材料， Bs为0.5T( 5000GS)左右。

高饱和磁通密度的磁性材料 多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T(即5000GS)左右 2022-4-28 开关电源用铁氧体磁性材应得志以下要求： (1)具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br 具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br 具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度 磁通密度Bs的上下，对于变压器和绕制结果有确定影响从 理论上讲，Bs高，变压器绕组匝数可以减小，铜损也随之减小 在实际应用中，开关电源高频变换器的电路形式好多，对于变 压器而言，其工作形式可分为两大类： 双极性： 1)双极性：电路为半桥、全桥、推挽等 双极性 电路为半桥、全桥、推挽等变压器一次绕组里正负 半周励磁电流大小相等，方向相反，因此对于变压器磁心里的磁通 变化，也是对称的上下移动，B的最大变化范围为△B=2Bm,磁心中 △B=2Bm 的直流分量根本抵消 单极性： 2)单极性：电路为单端正激、单端反激等 单极性 电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个 周期内加上1个单向的方波脉冲电压(单端反激式如此)变压器 磁心单向励磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之间变化， 这时的△B=Bm-Br,若减小Br,增大饱和磁通密度Bs,可以提高 △B,降低匝数，减小铜耗。

2022-4-28 14 变压器或者电感根据在拓扑布局中的工作方式分为三大类： 变压器或者电感根据在拓扑布局中的工作方式分为三大类：1、 直流滤波电感工作状态，电感磁芯只工作在一个象限 直流滤波电感工作状态，电感磁芯只工作在一个象限属于这 类工作状态的电感有Boost电感、Buck电感、Buck/boost电感、 类工作状态的电感有Boost电感、Buck电感、Buck/boost电感、 Boost电感 电感 电感 正激以及全体推挽拓扑变换器输出滤波电感、 正激以及全体推挽拓扑变换器输出滤波电感、单端反激变换器 输出滤波电感 变压器； 变压器； 2、正激变换器中的变压器，磁芯也只工作在一个象限， 正激变换器中的变压器，磁芯也只工作在一个象限， 但变压器要举行磁复位 但变压器要举行磁复位 推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化， 3、 推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化，属于这 类的变换器有推挽变换器、半桥和全桥变换器、 类的变换器有推挽变换器、半桥和全桥变换器、交流滤波电感 等 2022-4-28 (2)在高频下 具有较低的功率损耗 铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率， 铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发 波形畸变等不良后果。

热，波形畸变等不良后果 变压器的发热问题，在实际应用中极为普遍，它主要是由变压器 的铜损和磁心损耗引起的假设在设计变压器时，Bm选择过低， 绕组匝数过多，就会。