高频开关电源变压器优化设计分析

甘焯欣 佛山市爱威斯电源有限公司 广东佛山 528000



高频开关电源变压器优化设计分析

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【文章摘要】

当今电源技术不断发展，开关电源的主要研究方向与发展趋势主要是高频化以及高功率密度化。而开关电源的最核心部件便是变压器，而且伴随着不断提高的频率与功率，电源开关对电源系统性能产生日益重要的影响。因此，研究对高频开关电源变压器并对其进行优化设计是今后开关电源关键。本文主要围绕高频开关电源变压器的工作原理以及优化设计展开，希望通过本文能够加深我们对于高频开关变压器的了解。

【关键词】

高频开关电源变压器;工作原理;优化设计

电源是各种电子设备必不可少的组成部分，它对于确保设备的正常运行起着非常关键的作用。同样，开关电源的核心部件是开关电源变压器，他能够对能量进行转换以及传输，并且开关电源变压器的开关电源主要的体积与重量占有者，同时也是发热源；实现开关电源的小型轻量，平面智能等目标，开关电源的高频化尤为重要。这就是我们所要研究的课题。

1 高频开关电源变压器的主要构成以及分类

从广义上来说，凡以半导体功率的开关器件为开关管，经对开关管进行高频开通以及关断控制，会将电能形态转化为其他电能形态装置，这就是所谓的开关转换器。用开关转换器作为主要的组成部件，以闭环自动控制来稳定它的输出电压，并且在电路中增加保护环节电源，此为开关电源。若用高频DC/DC转换器作为开关电源工作时的开关转换器则就成为高频开关电源。

高频开关电源基本的路线是由开关型的功率变换器，整流滤波电路，交流直线转换电路以及控制电路组成。高频开关电源变压器分类方式：

(1)按照驱动方式的不同可以分为他激式和自激式

(2)按照电路的拓扑结构可以分为隔离式和非隔离式；前者包括正激式，反激式与半桥式，全桥式，推挽式；后者包括降压型与升压型等

(3)按照输出输入间是否有着电器隔离，可将其分为隔离式与非隔离式。

(4)按照DC转换器/DC开关条件，可将其分为硬开关以及软开关。

2 高频开关电源变压器优化设计

2.1设计参数

高频变压器的设计参数之间相互依存和相互制约，因而在设计时我们应该对各参数进行合理折中，根据应用场合的不同，应当首先去满足那些占支配地位的影响因素，之后再权衡其他参数的影响。由于参数间的相互依存与制约，在设计时将所有参数都达到最佳是很难做到的，例如，变压器效率与体积之间的矛盾，漏感与分布电容不能同时减小等。因此，在优化设计的过程中，我们选取了三个相对重要的参数进行分析。

2.1.1温升

在变压器工作的过程中，铁芯以及绕组中的损耗会产生热量，使得变压器的温度升高，同时这些热量会通过辐射与对流的方式在周围环境中进行传递。我们应该对温升加以控制，从而防止绕组被烧，磁芯的性能下降和变压器热击穿等问题的出现。在变压器的温升计算中，一般会把磁芯和绕组的损耗合在一起，并且假设热量经过磁芯与绕组后整个的表面积会均匀消散。

2.1.2分布参数

漏感与分布电容是高频变压器的主要分布参数，分布参数在高频下对开关电源性能的影响十分重要。对于开关式的变换器，漏感能够导致电压尖峰，对电路中的部分器件产生不必要的损坏，而分布电容则会引起电流尖峰并且延长充电的时间，会对开关和二极管造成较大的损耗，从而使变压器的效率以及可靠性降低，所以，在此种工作模式下，我们会尽可能减小变压器的分布参数；而对于谐振式的变换器，可以吸收和利用变压器分布参数，可全作为谐振参数或者其中一部分，因而在这种模式下，应该准确设计分布电容与漏感的值。

2.1.3损耗与效率

我们把输入功率和输出功率之差作为变压器功率损耗，将其分为两个分量：磁芯损耗与绕组损耗。在额定电压运行下，铁损一般不会随着负载电流的变化而变化，因而铁损通常也称为不变损耗；若忽略了励磁电流，铜损与负载电流的平方会成正比例关系，因而铜损也称为可变损耗。对变压器分别进行短路试验以及空载实验，分别测得在额定电压下铁损耗以及额定负载下铜损耗，其中，铁损在正常工作时保持不变，铜损则会随着负载的变化而变化。

2.2优化目标

高频开关电源变压器优化的目标是使变压器体积更小，重量更轻，频率更高，同时能够保证温升，分布参数以及绝缘满足设计基本要求。为了实现变压器的效率最大化，在设计的过程中应该遵循两个基本的原则：首先保证变压器的铜损与铁损相等；其次，保证变压器在初次绕组时的损耗相等；同时为实现变压器的体积缩小的目标，我们应该尽量采取采用合适的磁芯与绕组结构。

2.3优化设计方法

纳米晶带材的可用磁心结构有矩形与环形两种，当磁心结构确定时，依据变压器指定工作条件，初级绕组匝数以及绕组结构决定着变压器的磁芯截面积，绕组尺寸和磁心的窗口面积，即初级绕组匝数以及次级绕组的层数决定着变压器的损耗，温升以及分布参数，体积重量。所以，对于矩形与环形这两种磁心结构，通过对不同层次和匝数下变压器的体积重量，损耗等进行比较，从而对高频开关电源变压器采取更优的设计方案。

通过分析，在变压器的功率相同的情况下，矩形磁心相对环形磁心会更加紧凑，原因有两个方面，一方面是因为环形变压器会占用部分磁心以使变压器固定，而矩形变压器则可以利用下侧磁心来固定变压器；另一方面是环形变压器的绕组内侧长度降低了磁心窗口利用率，从而变压器的中心会出现较大的冗余空间而矩形变压器的磁心窗口利用率则不会受到影响。

3 结束语

开关电源是一种直流稳压电源，它具有效率高，发热量低，重量轻，体积小以及性能较为稳定的特点，如今广泛应用在工业、军事电子设备等各个领域，发展成为现代电子设备必不可少的重要组成部分，近些年来，成为许多国家研究的热点问题，尤其是发达国家对开关电源更加关注。由于开关电源是高频变压器的重要组成部件，因此当前对于高频开关电源变压器的研究与应用也是非常的多。尽管如此，当前由于我国技术等方面的原因，我国对于高频开关电源变压器的研究还有待进一步提高，存在的技术问题应进一步去解决；只有这样我们才能不断创新，赶超发达国家的技术水平。

【参考文献】

[1]张占松，蔡宣三.《开关电源的原理与设计》.电子工业出版社.2004

[2]吴雪予.高频开关电源的动态测试.磁性材料及器件，2001年6月