开关电源高频变压器的设计

1、2022-3-301l变压器基础知识变压器基础知识1、变压器组成：、变压器组成：原边（初级原边（初级primary side ） 绕组绕组副边绕组（次级副边绕组（次级secondary side ） 原边电感（励磁电感）原边电感（励磁电感）-magnetizing inductance漏感漏感-leakage inductance副边开路或者短路测量原边副边开路或者短路测量原边电感分别得励磁电感和漏感电感分别得励磁电感和漏感匝数比：匝数比：K=Np/Ns=V1/V22、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）电气隔离 2）储能）储能 3）变压）变压 4）变流）变流2022

2、-3-302高频变压器设计程序：高频变压器设计程序：1.1.磁芯材料磁芯材料 2.2.磁芯结构磁芯结构3.3.磁芯参数磁芯参数 4.4.线圈参数线圈参数5.5.组装结构组装结构 6.6.温升校核温升校核 2022-3-3031.1.磁芯材料磁芯材料 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，价格便宜，易加其优点是电阻率高、交流涡流损耗小，价格便宜，易加工成各种形状的磁芯。缺点是工作磁通密度低，磁导率工成各种形状的磁芯。缺点是工作磁通密度低，磁导率不高，磁致伸缩大，对温度变化比较敏感。选择哪一类不高，磁致伸缩

3、大，对温度变化比较敏感。选择哪一类软磁铁氧体材料更能全面满足高频变压器的设计要求，软磁铁氧体材料更能全面满足高频变压器的设计要求，进行认真考虑，才可以使设计出来的变压器达到比较理进行认真考虑，才可以使设计出来的变压器达到比较理想的性能价格比。想的性能价格比。2022-3-3042.2.磁芯结构磁芯结构 选择磁芯结构时考虑的因数有：降低漏磁和漏感，选择磁芯结构时考虑的因数有：降低漏磁和漏感，增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配接线方便等。接线方便等。 漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不需漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不

4、需要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。2022-3-3052022-3-3063.3.磁芯参数：磁芯参数： 磁芯参数设计中，要特别注意工作磁通密度不只是磁芯参数设计中，要特别注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制，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。作方式有关。 磁通单方向变化时：磁通单方向变化时：B=Bs-BrB=Bs-Br，既受饱和磁通，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，温升又密度限制，又更主要是受损耗限制，（损耗引起温升，温升又会影响磁通

5、密度）。工作磁通密度会影响磁通密度）。工作磁通密度BmBm=0.6=0.60.70.7B 开气隙可以降低开气隙可以降低Br,Br,以增大磁通密度变化值以增大磁通密度变化值B B，开气隙后，励，开气隙后，励磁电流有所增加，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：而言： 最大的工作磁通密度最大的工作磁通密度BmBm，B=2Bm。在双方向变化工作。在双方向变化工作模式时，还要注意由于各种原因造成励磁的正负变化的伏秒面模式时，还要注意由于各种原因造成励磁的正负变化的伏秒面积不相等，而出现直流偏磁问题。可以在磁芯中加一个小气隙，积不相等，而出现直

6、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。2022-3-3072022-3-3084.4.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，绕组排列和绝缘安排。绕组排列和绝缘安排。 导线截面（直径）决定于绕组的电流密度。通常取导线截面（直径）决定于绕组的电流密度。通常取J J为为2.52.54A/mm4A/mm2 2。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。如必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的

7、调整。2022-3-3094.4.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，副绕组反一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯，副绕组反馈绕组逐渐向外排列。下面推荐两种绕组排列形式：馈绕组逐渐向外排列。下面推荐两种绕组排列形式：1 1）如果原绕组电压高（例如）如果原绕组电压高（例如220V220V），副绕组电压低，可），副绕组电压低，可以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，原绕组在以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，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，这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排；绝缘安排；2 2）如果要增加原副绕组之间的耦合，可以采用

8、一半原绕）如果要增加原副绕组之间的耦合，可以采用一半原绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组，最外层再绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组，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。2022-3-30105.5.组装结构：组装结构： 高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组装结构。装结构。6.6.温升校核：温升校核： 温升校核可以通过计算和样品测试进行。实验温升低温升校核可以通过计算和样品测试进行。实验

9、温升低于允许温升于允许温升1515度以上，适当增加电流密度和减小导线度以上，适当增加电流密度和减小导线截面，如果超过允许温升，适当减小电流密度和增加截面，如果超过允许温升，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。2022-3-3011功率变压器根据拓扑结构分为三大类：功率变压器根据拓扑结构分为三大类：（1 1）反激式变压器；）反激式变压器；（2 2）正激式变压器；）正激式变压器；（3 3）推挽式变压器（全桥）推挽式变压器（全桥/ /半桥变换器中的变压器）半桥变换器中的变压器）磁芯结

10、构适合的拓扑结构形式如下页表所示：磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：2022-3-3012磁芯结构变换器电路类型反激式正激式推挽式E cores +0Planar E Cores -+0EFD Cores -+ETD Cores 0+ER Cores 0+U Cores +00RM Cores 0+0EP Cores -+0P Cores -+0Ring Cores -+=+=适合；适合； 0=0=一般；一般；-=-=不适合不适合 2022-3-3013磁芯材料的选择应注意的问题：磁芯材料的选择应注意的问题： 1 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，、软磁铁氧体，

11、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。 2 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，、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，锰锌铁氧体的组成部分是锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3Fe2O3，MnCO3MnCO3，ZnOZnO，它主要应用在，它主要应用在1MHz1MHz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部分是的组成部分是Fe2O3Fe2O3，NiONiO，ZnOZnO等，主要用于等，主要用于1MHz1MHz以上的各种调

12、感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。 3 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、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，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为途不同，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心，其材料牌号多为高导磁率磁心，其材料牌号多为R4KR4KR10KR10K，即相对磁导率为，即相对磁导率为400040001000010000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等多为多为高饱和磁通密度高饱和磁通

13、密度的磁性材料，其的磁性材料，其BsBs为为0.5T0.5T（即（即5000GS5000GS）左右。）左右。2022-3-3014开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求： （1）具有较高的饱和磁通密度具有较高的饱和磁通密度BsBs和较低的剩余磁通密度和较低的剩余磁通密度Br Br 磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定影响。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很多，对于变 压器而言，其工作形式可分为两大类： 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

14、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=2BmB=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。 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=BmBr，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。 2022-3-3015 变压器或者电感根据在拓扑结构中的工作方式分为三大类：变压器或者电感根据在拓扑结构中的工作方式分为三大类：1 1、直流滤波电感工作状态，电感磁芯只工

15、作在一个象限。属于这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类工作状态的电感有BoostBoost电感、电感、BuckBuck电感、电感、Buck/boostBuck/boost电感、电感、正激以及所有推挽拓扑变换器正激以及所有推挽拓扑变换器输出滤波电感输出滤波电感、单端反激变换器、单端反激变换器变压器变压器； 2 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，但变压器要进行磁复位。但变压器要进行磁复位。 3 3、 推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化，属于这推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化，属于这类的

16、变换器有推挽变换器、半桥和全桥变换器、交流滤波电感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。等。2022-3-3016（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，同时会导致磁心发铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发热，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。如果在设计变压器时，Bm选择过低，绕组匝数过多，就会导致绕组发热，并同时向磁心传输热量，使磁心发热。反之，若磁心发热为主体，也会导致绕组发热。 选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变化呈负

17、温度系数关系。这是因为，假如磁心损耗为发热主体，使变压器温度上升，而温度上升又导致磁心损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点，日本TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。 2022-3-3017（3）适中的磁导率 相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。对于高于这一频段的材

18、料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。 （4）较高的居里温度 居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温度在200以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80，这是因为在在100以上时，其饱和磁通密度以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的已跌至常温时的70。因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者，当高于100时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。对于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110，居里温度高达240，满足高温使用要求。 2022-3-3018变压器的设计原则及方法变压器的设计原则及方法设计变压器主要有很两种方法：面积

19、积设计变压器主要有很两种方法：面积积APAP法法 APAP：磁芯截面：磁芯截面积积AeAe与线圈有效窗口面积与线圈有效窗口面积AwAw的乘积。的乘积。 PT-PT-变压器的计算功率变压器的计算功率AeAe- -磁芯有效截面积磁芯有效截面积Aw-Aw-磁芯窗口面积磁芯窗口面积KoKo- -磁芯窗口利用系数，典型值为磁芯窗口利用系数，典型值为0.40.4KfKf- -波形系数，方波为波形系数，方波为4，正弦波为，正弦波为4.44BwBw- -磁芯的工作磁感强度磁芯的工作磁感强度Fs-Fs-开关工作频率开关工作频率KjKj- -电流密度系数，取电流密度系数，取395A/cm395A/cm2 2X-X

20、-磁芯结构系数，磁芯结构系数，P107P107表表3-83-82022-3-3019按照功率变压器的设计方法，用面积积按照功率变压器的设计方法，用面积积AP法法设计变压器的一般步骤：设计变压器的一般步骤：1 .选择磁芯材料，计算变压器的视在功率；选择磁芯材料，计算变压器的视在功率；2. 确定磁芯截面尺寸确定磁芯截面尺寸AP，根据，根据AP值选择磁芯值选择磁芯尺寸；尺寸；3. 计算原副边电感量及匝数；计算原副边电感量及匝数；4. 计算空气隙的长度；计算空气隙的长度；5. 根据电流密度和原副边有效值电流求线径；根据电流密度和原副边有效值电流求线径；6. 求铜损和铁损是否满足要求（比如：允许求铜损和

21、铁损是否满足要求（比如：允许损耗和温升）损耗和温升）2022-3-30201.1. 选择磁芯材料，确定变压器的视在功率选择磁芯材料，确定变压器的视在功率P PT T； 考虑成本因数在此选择考虑成本因数在此选择PC40PC40材质，查材质，查PC40PC40资料得资料得 B Bs s=0.39T B=0.39T Br r=0.06T =0.06T max0.390.060.33srBBBTTT 为了防止磁芯的瞬间出现饱和，预留一定裕量，取为了防止磁芯的瞬间出现饱和，预留一定裕量，取 BmBm= = Bmax*0.6=0.198T 取取0.2T电源的基本参数如右：电源的基本参数如右：选择反激拓扑。

22、选择反激拓扑。2022-3-30212. 2. 计算计算AP AP （用（用ExcelExcel表格来计算表格来计算APAP值）值）变压器视在功率变压器视在功率P PT T：对于反激拓扑来说，：对于反激拓扑来说，(21 1)*3(21 1)*3148.50.8outTinoutoutPPPPPW44*100.783*1000*TmsuPAPcmBfJK式中：式中： J J电流密度，通常取电流密度，通常取395A/cm395A/cm2 2; ; KuKu是铜窗有效使用系数，根据安规要求和输出路数决定，一是铜窗有效使用系数，根据安规要求和输出路数决定，一般取般取0.20.20.40.4。在此计算取

23、。在此计算取0.40.42022-3-3022 根据上图，选择大于计算根据上图，选择大于计算APAP值的磁芯值的磁芯EE3528EE3528，相关参数是：，相关参数是： Ae:84.8mmAe:84.8mm2 2 AP AP：1.3398cm1.3398cm4 4 Wa Wa：158mm158mm2 2 AL AL：2600nH/H2600nH/H2 22022-3-3023 反为了适应突变的负载电流，把电源设计在临界模式：反为了适应突变的负载电流，把电源设计在临界模式：临界电流临界电流I I0B0B=0.8=0.8I I0 0=2.4A =2.4A 3. 3. 计算原、副边电感量及匝数计算原

24、、副边电感量及匝数2022-3-3024原、副边峰值电流原、副边峰值电流 原、副边及辅助绕原、副边及辅助绕组的匝数组的匝数2022-3-3025 为了避免磁芯饱和，在磁回路中加入一个适当的气隙，计为了避免磁芯饱和，在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：算如下：2820.4*10l0.4 * 3.14156 *106* 84.80.831434 * 0.001pegpNALm md1.13*0.346prmswpImmJ 5. 5.原、副边及辅助绕组的线径原、副边及辅助绕组的线径有两种方法：有两种方法：1 1、求裸线面积；、求裸线面积； 2 2、求导线直径、求导线直径 （J J电流密度取电流密度取4A/mm4A/mm2 2) ) 用两根直径为用两根直径为0.18mm0.18mm线并绕，或者用线并绕，或者用AWG #28AWG #28单股线单股线32*0.77A0.731*10rmsxpIcmJ 可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数2022-3-3026 次级线径：次级线径：0d1.13*1.0wpImmJ 用用4 4根直径为根直径为0.25mm0.25mm（AWG #31AWG #31）的线并绕。）的线并绕。 电流趋肤深