高頻開關電源變壓器改進設計探討

摘 要：科學技術飛速發揮背景下，對于開關電源的研究開始朝著高功率密度化會被高頻化的方向發展，作為其核心的變壓器設備也面臨著許多新的要求，需要進行優化和改進，以更好地適應高頻開關電源的應用需求。本文從高頻開關電源變壓器的結構組成和類型出發，對其改進設計進行了分析和探討。

關鍵詞：高頻開關電源；變壓器；改進設計

前言：新時期，社會對于電能的需求持續增長，各類電子設備在人們的日常工作和生活中得到了普及。作為電子設備中不可或缺的組成部分，電源是保證設備正常穩定運行的關鍵，而對于開關電源，變壓器是核心部件，可以進行能量的轉換與傳輸，想要提升高頻開關電源的性能，就必須從變壓器的優化設計著眼。

1 高頻開關電源變壓器結構組成及類型

廣義上，開關轉換器指所有利用半導體功率開關器件作為開關管，能夠實現高頻開通和關斷控制，促進電能形態轉換的裝置。以開關轉換器為核心，配合閉環自動控制系統來對輸出電壓進行穩定，加上相應的保護裝置，就構成了開關電源。高頻開關電源簡單來講，就是利用高頻DC/DC轉換器作為開關電源工作中的開關轉換器。

高頻開關電源變壓器的結構組成包括了整流濾波電路、開關型功率變換器、交直流轉換電路和控制電路等，依照不同的分類方式，可以將其分為多種不同的類型：如果依照變壓器的驅動方式，可以將高頻開關電源變壓器分成自激式和他激式；如果依照電路本身拓撲結構，同樣可以將其分為兩種，一是隔離式，包括了正激式、反激式、全橋式、半橋式以及推挽式等；二是非隔離式，包括了升壓型、降壓型等；如果依照開關條件，可以將其分為硬開關和軟開關[1]。

2 高頻開關電源變壓器改進設計

2.1改進設計參數

對于高頻開關電源變壓器而言，各種設計參數并非獨立存在，彼此之間存在相互依存和相互制約的關系，因此技術人員在對設計參數進行確定時，不能一概而論，也不能單純考慮某一個參數，而是必須針對所有的參數進行細致分析，依照其本身的應用場合及功能需求，有限滿足關鍵參數，然后在去考慮其他參數的影響。考慮不同參數之間彼此依存和制約的關系，應該適當做好設計參數的改進和優化工作，盡可能保證各項參數最優化。但是實際上，很多參數都存在彼此矛盾的關聯，如變壓器效率與體積之間的矛盾、分布電容和漏感的矛盾等，想要保證設計參數優化的效果，可以從一些主要參數著眼：一是分布參數。對于高頻變壓器而言，漏感和分布電容都屬于非常重要的分布參數，其會在高頻下對開關電源的性能產生巨大影響。在開關式變換器中，漏感可以引發電壓尖峰問題，導致電路中部分元器件的損壞，分布電容不僅會引發電流尖峰，還會導致充電時間的延長，造成開關和二極管損耗，繼而降低變壓器運行的效率及可靠性。因此，在優化設計環節應該盡可能減小變壓器分布參數，如果采用的是諧振式變換器，能夠對變壓器的分布參數進行吸收和利用，將其作為諧振參數的部分或全部，要求設計人員必須做好分布電容和漏感的準確設計；二是溫升。變壓器運行過程中，鐵芯和繞組會出現發熱問題，導致變壓器溫升，產生的熱量會通過對流和輻射在周邊環境中傳遞。從保證設備運行安全的角度，應該對溫升問題進行有效控制，避免過高的溫度燒毀變壓器繞組，或者導致變壓器熱擊穿等故障。在針對變壓器溫升進行計算的過程中，可以將磁芯與繞組的損耗結合在一起，而為了方便計算，可以假定熱量在經過磁芯及繞組后，會在表面均勻散失；三是損耗及效率。輸入輸出功率的差值通常被稱為變壓器功率損耗，包含了磁芯損耗和繞組損耗兩部分。當運行電壓固定不變的情況下，變壓器鐵損并不會順著負載電流的波動變化，因此其一般會被稱為不變損耗，在忽略勵磁電流的情況下，銅損與負載電流的平方成正比，這也使得銅損被稱為可變損耗。針對變壓器進行相應的短路測試以及空載試驗，可以看出，電壓額定時的鐵損在變壓器正常工作時基本保持不變，負載額定時的銅損則會隨著復雜的變化而隨之改變[2]。

2.2改進目標

在對高頻開關電源變壓器進行優化設計時，應該設置明確的優化目標，即在保持變壓器性能的前提下，縮減變壓器的體積和質量，提升其頻率，使得各項參數能夠滿足變壓器運行需求。為了能夠實現變壓器效率的最大化，設計人員在進行設計的過程中，需要遵循兩個基本原則，一是確保變壓器鐵損和銅損相等，二是確保變壓器初次繞組時損耗相等；為了縮減變壓器體積，應該在保證基本性能的前提下，盡量選擇恰當的變壓器磁芯及繞組結構。

2.3改進設計方法

高頻開關電源變壓器優化設計環節，還應該對設計方法進行改進和創新，以最新的納米晶帶材料為例，其磁芯結構可以是環形，也可以是矩形，設計人員在對磁芯結構進行設計的過程中，應該根據變壓器的實際工作條件、初級繞組匝數和繞組結構，確定變壓器磁芯截面積以及繞組尺寸。在這種情況下，決定高頻開關電源變壓器的損耗、溫升、體積、質量的因素有很多，如初級繞組匝數、次級繞組匝數等。針對環形和矩形兩種不同磁芯結構，設計人員需要做好全面細致分析，就不同層次及匝數下的變壓器體積、質量、損耗等進行對比，提出更加優越的設計方案。相關實驗分析數據表明，在功率不變的情況下，矩形磁芯的結構更加緊湊，一方面是因為環形變壓器會占用部分磁芯來進行固定，矩形變壓器則可以直接利用下側磁芯完成固定；另一方面則是因為環形變壓器繞組內側較長，會降低磁芯窗口利用率，在中心位置出現冗余空間，與之相比，矩形變壓器磁芯窗口不會受到影響，利用率較高[3]。

結束語

總而言之，開關電源本身屬于直流穩態電源的的一種，運行效率高、發熱量低，體積較小，在實際運行中性能相對穩定，在工業、軍事、電子設備等方面有著相當廣泛的應用。變壓器作為高頻開關電源中的重要組成部分，其性能和運行效果會對開關電源的使用產生不容忽視的影響，需要設計人員做好變壓器設計的優化與改進，對其中存在的技術問題進行解決，以更好地適應時代發展要求。

參考文獻

[1]馮立超.高頻開關電源變壓器的設計及應用[J].無線互聯科技，2018，（2）：78-79.

[2]常樂.高頻開關電源變壓器的優化設計及其應用[J].電子技術與軟件工程，2017，（1）：235.

[3]曹苗.高頻開關電源的研究與設計[D].西安理工大學，2013.

作者簡介

黃文章（1993—），男，漢族，浙江省溫州市人，電氣碩士在讀，單位：武漢理工大學自動化學院，研究方向：開關電源變壓器。

（作者單位：武漢理工大學）