高頻開關電源變壓器優化設計分析

甘焯欣 佛山市愛威斯電源有限公司 廣東佛山 528000

?

高頻開關電源變壓器優化設計分析

甘焯欣 佛山市愛威斯電源有限公司 廣東佛山 528000

【文章摘要】

當今電源技術不斷發展，開關電源的主要研究方向與發展趨勢主要是高頻化以及高功率密度化。而開關電源的最核心部件便是變壓器，而且伴隨著不斷提高的頻率與功率，電源開關對電源系統性能產生日益重要的影響。因此，研究對高頻開關電源變壓器并對其進行優化設計是今后開關電源關鍵。本文主要圍繞高頻開關電源變壓器的工作原理以及優化設計展開，希望通過本文能夠加深我們對于高頻開關變壓器的了解。

【關鍵詞】

高頻開關電源變壓器;工作原理;優化設計

電源是各種電子設備必不可少的組成部分，它對于確保設備的正常運行起著非常關鍵的作用。同樣，開關電源的核心部件是開關電源變壓器，他能夠對能量進行轉換以及傳輸，并且開關電源變壓器的開關電源主要的體積與重量占有者，同時也是發熱源；實現開關電源的小型輕量，平面智能等目標，開關電源的高頻化尤為重要。這就是我們所要研究的課題。

1 高頻開關電源變壓器的主要構成以及分類

從廣義上來說，凡以半導體功率的開關器件為開關管，經對開關管進行高頻開通以及關斷控制，會將電能形態轉化為其他電能形態裝置，這就是所謂的開關轉換器。用開關轉換器作為主要的組成部件，以閉環自動控制來穩定它的輸出電壓，并且在電路中增加保護環節電源，此為開關電源。若用高頻DC/DC轉換器作為開關電源工作時的開關轉換器則就成為高頻開關電源。

高頻開關電源基本的路線是由開關型的功率變換器，整流濾波電路，交流直線轉換電路以及控制電路組成。高頻開關電源變壓器分類方式：

(1)按照驅動方式的不同可以分為他激式和自激式

(2)按照電路的拓撲結構可以分為隔離式和非隔離式；前者包括正激式，反激式與半橋式，全橋式，推挽式；后者包括降壓型與升壓型等

(3)按照輸出輸入間是否有著電器隔離，可將其分為隔離式與非隔離式。

(4)按照DC轉換器/DC開關條件，可將其分為硬開關以及軟開關。

2 高頻開關電源變壓器優化設計

2.1設計參數

高頻變壓器的設計參數之間相互依存和相互制約，因而在設計時我們應該對各參數進行合理折中，根據應用場合的不同，應當首先去滿足那些占支配地位的影響因素，之后再權衡其他參數的影響。由于參數間的相互依存與制約，在設計時將所有參數都達到最佳是很難做到的，例如，變壓器效率與體積之間的矛盾，漏感與分布電容不能同時減小等。因此，在優化設計的過程中，我們選取了三個相對重要的參數進行分析。

2.1.1溫升

在變壓器工作的過程中，鐵芯以及繞組中的損耗會產生熱量，使得變壓器的溫度升高，同時這些熱量會通過輻射與對流的方式在周圍環境中進行傳遞。我們應該對溫升加以控制，從而防止繞組被燒，磁芯的性能下降和變壓器熱擊穿等問題的出現。在變壓器的溫升計算中，一般會把磁芯和繞組的損耗合在一起，并且假設熱量經過磁芯與繞組后整個的表面積會均勻消散。

2.1.2分布參數

漏感與分布電容是高頻變壓器的主要分布參數，分布參數在高頻下對開關電源性能的影響十分重要。對于開關式的變換器，漏感能夠導致電壓尖峰，對電路中的部分器件產生不必要的損壞，而分布電容則會引起電流尖峰并且延長充電的時間，會對開關和二極管造成較大的損耗，從而使變壓器的效率以及可靠性降低，所以，在此種工作模式下，我們會盡可能減小變壓器的分布參數；而對于諧振式的變換器，可以吸收和利用變壓器分布參數，可全作為諧振參數或者其中一部分，因而在這種模式下，應該準確設計分布電容與漏感的值。

2.1.3損耗與效率

我們把輸入功率和輸出功率之差作為變壓器功率損耗，將其分為兩個分量：磁芯損耗與繞組損耗。在額定電壓運行下，鐵損一般不會隨著負載電流的變化而變化，因而鐵損通常也稱為不變損耗；若忽略了勵磁電流，銅損與負載電流的平方會成正比例關系，因而銅損也稱為可變損耗。對變壓器分別進行短路試驗以及空載實驗，分別測得在額定電壓下鐵損耗以及額定負載下銅損耗，其中，鐵損在正常工作時保持不變，銅損則會隨著負載的變化而變化。

2.2優化目標

高頻開關電源變壓器優化的目標是使變壓器體積更小，重量更輕，頻率更高，同時能夠保證溫升，分布參數以及絕緣滿足設計基本要求。為了實現變壓器的效率最大化，在設計的過程中應該遵循兩個基本的原則：首先保證變壓器的銅損與鐵損相等；其次，保證變壓器在初次繞組時的損耗相等；同時為實現變壓器的體積縮小的目標，我們應該盡量采取采用合適的磁芯與繞組結構。

2.3優化設計方法

納米晶帶材的可用磁心結構有矩形與環形兩種，當磁心結構確定時，依據變壓器指定工作條件，初級繞組匝數以及繞組結構決定著變壓器的磁芯截面積，繞組尺寸和磁心的窗口面積，即初級繞組匝數以及次級繞組的層數決定著變壓器的損耗，溫升以及分布參數，體積重量。所以，對于矩形與環形這兩種磁心結構，通過對不同層次和匝數下變壓器的體積重量，損耗等進行比較，從而對高頻開關電源變壓器采取更優的設計方案。

通過分析，在變壓器的功率相同的情況下，矩形磁心相對環形磁心會更加緊湊，原因有兩個方面，一方面是因為環形變壓器會占用部分磁心以使變壓器固定，而矩形變壓器則可以利用下側磁心來固定變壓器；另一方面是環形變壓器的繞組內側長度降低了磁心窗口利用率，從而變壓器的中心會出現較大的冗余空間而矩形變壓器的磁心窗口利用率則不會受到影響。

3 結束語

開關電源是一種直流穩壓電源，它具有效率高，發熱量低，重量輕，體積小以及性能較為穩定的特點，如今廣泛應用在工業、軍事電子設備等各個領域，發展成為現代電子設備必不可少的重要組成部分，近些年來，成為許多國家研究的熱點問題，尤其是發達國家對開關電源更加關注。由于開關電源是高頻變壓器的重要組成部件，因此當前對于高頻開關電源變壓器的研究與應用也是非常的多。盡管如此，當前由于我國技術等方面的原因，我國對于高頻開關電源變壓器的研究還有待進一步提高，存在的技術問題應進一步去解決；只有這樣我們才能不斷創新，趕超發達國家的技術水平。

【參考文獻】

[1]張占松，蔡宣三.《開關電源的原理與設計》.電子工業出版社.2004

[2]吳雪予.高頻開關電源的動態測試.磁性材料及器件，2001年6月