高频变压器设计8

1、第八讲：高频变压器设计主讲主讲:马瑞卿马瑞卿电气工程系电气工程系2011.10高频变压器设计v1、概述v2、设计应满足的要求v3、设计举例v4、总结高频变压器设计1、概述l1）定义：变压器是一种电能转换装置，它以相同 的频率，但往往是不同的电压和电流把能量从一 个或多个电路转换到另一个或多个电路中去。l2）作用：磁能转换 ；电压变换； 绝缘隔离。l3）特点：和工频变压器相比，体积小、重量轻、 转换效率高，频率提高了几百倍，绕组圈数大大 减少，铜耗、调整率也变小，但铁芯中的损耗随 着频率的提高大大增加。高频变压器设计1、概述l4）新型变压器： a、平面变压器：没有铜导线，代之 以单层或多层印刷电

2、路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上。 其突出优点是：能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%-99%；工作频率高，从50kHz到2MHz；漏感低(小于0.2%)；电磁干扰小(EMI)等 高频变压器设计1、概述l4）新型变压器： b、 压电变压器：压电变压器是应用电能-机械能-电能的一种新型变压器，它是利用压电陶瓷电致伸缩的正向和反向特性而制成的。 高频变压器设计1、概述为什么要自己设计高频变压器呢？ 变压器涉及的参数太多，如电压、电流、频率、温度、能量变化、漏电感、磁材料参数、损耗等。磁材料参数测量困难也增加了人们的困惑。就以Magn

3、etics公司的一种MPP铁磁材料来说，它有10种u值，26种尺寸，能在5种温升限额下稳定工作，这便有1300种组合，再加前述电参数等，将有不计其数的组合，厂家为用户提供现货是不可能的，因此，决大多数变压器要自己设计，或提供参数委托设计加工。高频变压器设计2、设计应满足的要求2.1、基本要求2.2、磁芯2.3、漏感和分布电容2.4、趋肤效应2.5、绝缘问题v2.1、基本要求 设计变压器时,应当预先知道工作频率、电路拓扑、变压器损耗、输入和输出电压、输出功率或输出电流以及环境条件等。同时根据输出功率与变压器各参数（如磁芯截面积、磁芯窗口面积、骨架面积、峰值磁通密度、变压器工作频率及线圈电流密度等

4、）之间的数量关系确定变压器磁芯尺寸。设计变压器时应满足最坏情况，以保证设计的变压器在规定范围内都能达到工作要求，确保在体积最小情况下获得最大输出功率。v2.2、磁芯（1）性能要求：尽可能高的磁感应强度；尽可能高的磁导率；磁损失要小；要求线包加工及装配容易；磁特性随温度变化要小，即稳定的温度系数。 铁氧体磁芯由于价格便宜，磁芯形式多样，得到了广泛的应用，但也有很多缺点。在体积重量、环境条件及性能指标要求高的场合可使用坡莫合金和非晶态合金等材料。三种材料主要磁性能见表（1）v2.2、磁芯（2）可传输功率与f的关系： （1） 式中，f 为工作频率，Bmax 为最大允许磁通密度，Ae 为磁路截面积，C

5、为与开关电源电路工作型式有关的系数，Wd为绕组设计系数（包括电流密度、占空因子、绕组截面积等）。 磁芯总损耗与工作频率及工作磁通的关系： （2） 式中，Ve为有效体积，n是Steinmetz指数，对功率铁氧体的典型值是2.5，指数m=11.3（磁损由磁滞损耗引起时m=1；当f=10100kHz时m=1.3；当f100kHz时，m 将增大。dethWACfBPmax enmLVBKfP 返回v2.2、磁芯（2）可传输功率与f的关系 当前开关电源的目标是在给定通过功率下要减小尺寸和重量，由（1）式知，要提高变压器通过功率，可提高频率。但是提高频率除了要应用快速晶体管以外，还受其他电路影响所限制，如

6、电压和电流的快速改变，在开关电路中产生扩大的谐波谱线，造成无线电频率干扰，电源的辐射。对磁芯来说，由（2）式知，f增大，磁损增加，因此，提高f还要求改进高频磁芯损耗。v2.2、磁芯（3）工作磁通密度 变压器工作磁通密度受两方面的限制：一是磁芯损耗引起的可允许温升 ；二是铁氧体材料饱和磁通密度。对单端正向型变压器， ；对推挽式变压器， 。 （3） 式中，Cb和n是与磁芯材料有关的系数；Ve是有效体积；Rth为热阻。 由（3）式计算出的 较高时，还受磁通密度偏移 所限制。对不等截面磁芯（如E型），在最小截面 处有较高磁通密度。还必须按下式计算： （4） 由（3）（4）所得的最小磁密偏移值即为可允许

7、的磁密值。ntheFebRVCBrmBBBmBB2FeBadmBminAeadmAABBminv2.2、磁芯（4）材料性能因子（PF） 由（1）式得，传输相同功率，性能因子增大可减小磁芯体积，反之，相同磁芯尺寸的变压器采用高的PF可传输更大的功率。PF是与铁氧体材料有关的参数，良好的高功率铁氧体显示出高的PF值。图3给出了德国西门子公司几中铁氧体材料性能因子与频率的关系，图中可看出经过改进的N59材料可使用到1MHz以上频率。 改进PF可从降低材料高频损耗着手，已发现对应材料PF最大值的频率与材料晶粒尺寸d、交流电阻率 有关，如图4，考虑到涡流损耗与 之间的关系，两者结果是一致的。maxfB2

8、dv2.2、磁芯（5）热阻Rth 热阻为每瓦特总消散时规定热点处的温升( K/ W)。磁芯温升与磁芯总损耗的关系可用下式表示: (5) 为得到最佳传输功率，应尽量减小热阻。热阻可用下述经验公式来表示 式中，S为磁芯表面积，d为磁芯尺寸， 为表面热传导系数， 为磁芯内部热传导系数。对电源变压器用的铁氧体材料，必须具有低的功耗和高的热传导系数 。对高频变压器磁芯，设计时应尽量增加暴露面积，如扩大背部和外翼，或制成宽而薄的形状以降低热阻，提高通过功率。FethFePR dSRth11v2.2、磁芯（6）磁芯总损耗： 软磁铁氧体磁芯损耗通常由三部分构成：磁滞损耗 ；涡流损耗 ；剩余损耗 。 每种损耗产

9、生的频率范围是不同的。见图7 hPPcrPv2.2、磁芯（6）磁芯总损耗磁滞损耗 工作在100kHz以下的功率铁氧体磁芯，要选择铁氧体成分使材料具有较小矫顽力和最小各向异性常数，另外，此成分还应有低的磁滞伸缩常数，工艺上要避免内外应力和夹杂物。采用大而均匀的晶粒是有利的，因为矫顽力正比于晶粒尺寸的倒数。BdHfPhv2.2、磁芯（6）磁芯总损耗涡流损耗 式中 是尺寸常数，是测量频率时的电阻率。 随着频率的提高，涡流损耗在总损耗中所占比例逐步增大，当工作在200500kHz时，涡流损耗常占支配地位。减小涡流损耗主要是提高多晶铁氧体的电阻率。从材料微观结构考虑，应有均匀的小晶粒, 以及高电阻率的晶

10、界和晶粒。因为小晶粒具有最大晶界表面而增大电阻率, 而在材料中添加CaO + SiO2 或者Nb2O5 、ZrO2 和Ta2O5 均对增高电阻率有益。/22BfCPceeCv2.2、磁芯（6）磁芯总损耗剩余损耗 最近发现,当电源变压器磁芯工作在达MHz 频率时,剩余损耗已占支配地位,采用细晶粒铁氧体已成功地缩小了此损耗的贡献。对MnZn 铁氧体来说, 在MHz 频率出现铁磁谐振,形成了铁氧体的损耗。最近有人提出, 当铁氧体的磁导率随晶粒尺寸减小而降低时, Snoek 定律仍是有效的, 也就是说, 细晶粒材料显示出高的谐振频率,因此可用于更高频率。另外,对晶粒尺寸小到纳米级的铁氧体材料研究表明,

11、在此频段还应考虑晶粒内畴壁损耗。v2.2、磁芯（7）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80oC，这是因为在100以上时，其饱和磁感应强度Bs己跌至常温时的70%。因此过高的工作温度会使磁芯的饱和磁感应强度严重跌落。再者，当高于100时，其功耗己经呈正温度系数，会导致恶性循环。v2.3、漏感和分布电容 瞬变过程中，漏感和分布电容引起浪涌电流和尖峰电压以及顶部振荡，造成损耗增加，严重时会损害开关管。设计时一般主要靠考虑漏感，在输出为高电压、输出绕组匝数多、层数多时应考虑分布电容的影响。 2.3.1漏感的计算（1）对壳式

12、磁芯（单线包）)(10)(31l26. 1802m21HhMWKLmLSv2.3漏感和分布电容2.3.1漏感的计算（2）对心式磁芯（双线包）)(10)(31l63. 0802m21HhMWKLmLS在以上两式中： ：漏感 ：初次级绕组的平均厚度 ：绕组的高度 ：漏感修正系数 ：初、次级绕组绝缘厚度 、 ：每柱上初、次级线圈的厚度 ：漏磁势组数（不大于4） SLLKMmhml0v2.3漏感和分布电容 2.3.2分布电容的计算（具体方法不做介绍） 变压器的分布电容由以下几部分组成：各绕组对磁芯的分布电容各绕组线匝之间的分布电容绕组与绕组之间的分布电容各绕组上下层之间的分布电容v2.4趋肤效应（1）

13、穿透深度：交流电流沿导线表面开始能达到的径向深度。)(1023mmruHur)(1.66mmfH 式中， 为角频率； 为导线的导磁率； 为导线的电导率。导线为圆铜导线时，上式变为：（2）导线的选择原则 导线直径应小于两倍穿透深度，当导线要求的直径大于由穿透深度决定的最大直径时，可采用小直径导线多股并绕或采用扁铜带绕制。v2.4趋肤效应（3）交流电阻的计算 存在趋肤效应时，应使用交流电阻有效值Ra来计算线圈压降和损耗。Ra=kr*Rd, 其中Rd为直流电阻，kr为趋表系数，如下式，D为导线直径。HHDDkr)()2/(2（4）电流有效值的计算 在开关电源变压器中，计算损耗时应该采用交流电流有效值

14、（均方根值）3.设计举例v3.1单端反激式开关电源变压器设计v3.2推挽式开关电源变压器设计v3.3半桥式开关电源变压器设计v3.1单端反激式开关电源变压器的设计 设计计算时应给定的基本条件：u电路形式；u工作频率；u输入电压和电流值；u开关管最大导通时间或占空比；u隔离电位；u要求的漏感与分布电容；u工作环境条件v3.1单端反激式开关电源变压器的设计（1）输入和输出电压11UUUinpioisiUUU1pUinUiUoiUsiU式中， 为初级输入额定电压， 为输入直流电压， 为变压器次级绕组输出电压， 为变压器次级绕组负载端的直流电压， 为开关管及线路压降。（2）最大占空比Ttonmaxma

15、x（3）匝数比sipiUUn11（4）初级电感fIULppP1maxmin11v3.1单端反激式开关电源变压器的设计maxmin1012pPUPI（5）初级绕组峰值电流a.开关管截至期间变压器储存的能量完全释放b.开关管截至期间储存的能量不完全释放1111101111121spsppspspPnUUnUUfLPnUUnUUI（6）变压器初、次级绕组电流有效值101)1 (pUPI)1 (1112SpUUII（7）工作磁感应强度 为饱和磁感应强度SBB5 . 0mSBv3.1单端反激式开关电源变压器的设计JISimi（8）导线规格的确定miSiIJmpppBDILA21113921D式中： 为各

16、绕组导线截面积； 为各绕组中电流有效值； 为电流密度。选择导线时还应考虑肌肤效应的影响（9）计算磁芯截面积来确定磁芯尺寸式中， 为变压器初级绕组导线的直径。根据计算值，从变压器磁芯规格表中选择符合要求的变压器磁芯。v3.1单端反激式开关电源变压器的设计22114 . 0mcppBAILgcAeccppALLW131092. 8gLBWpmp14 . 0ecL（10）空气气隙的确定 为磁芯截面积。采用恒导磁材料时，磁路中不需要有空气气隙。（11）绕组组数的确定a.初级： （有气隙） （无气隙）b.次级：maxmin1max1)1 (psipsUUWW以上几式中， 为磁芯磁路长度， 为磁芯有效磁导

17、率。v3.1单端反激式开关电源变压器的设计（12）分布参数的计算，核算窗口尺寸，计算损耗和温升 变压器在确定磁芯型号、导线规格、线圈匝数后，要核算分布参数、校核磁芯窗口尺寸、计算损耗和温升v3.2推挽式开关电源变压器的设计 以1.5MHz的推挽式开关电源高频变压器设计为例，输入电压4248V,输出电压；输出功率50W；输出电压12V；输出电流2A4A;允许温升250C，拓扑结构如图v3.2推挽式开关电源变压器的设计（1）变压器最低输入电压Up 开关管漏源电压为2V,取样电阻最高电压为1V，所以Up=42-2-1=39v（2）变压器最低输出电压Uo 肖特基二极管最大正向压降为0.65V，滤波线圈

18、及导线的压降为0.15V，所以Uo=12+0.65+0.15=12.8V（3）变压器初、次级绕组匝数比N N= Up/ Uo=3.05:1 可取7:2或者10:3,实际匝数由磁芯特性决定v3.2推挽式开关电源变压器的设计（4）初级绕组电流Ip 若变压器效率为=98%，则Ip=P0/(Up)=1.38A（5）磁芯截面积 由式 得AP=637（mm2）,式中各参数的意义如下。 根据计算结果，查变压器铁芯参数表，选择G18/11型磁芯。其参数为Ae=0.433cm2 ,AP=0.0810cm4,66. 0258. 14ine)(24010fKfKKfPAAAPehwv3.2推挽式开关电源变压器的设计

19、（6）确定初、次级绕组匝数71041eonPBAtUN由匝数比求的次级绕组匝数为N2 =2（7）初级电感计算公式27410epeN ALlexpIAJ l是有效磁路长度， 是有效磁导率，本例所用的磁芯取860，将各参数代入上式可得Lp=88.7H（8）初级绕组导线裸线的截面积 J为电流密度，取575A/cm2 ,I=0.707Ip,将各参数代入，可求得Axp =0.001611(cm2)。考虑到集肤效应，采用多股并绕，漆包线直径为0.15mm,所以取10股并绕。v3.2推挽式开关电源变压器的设计ppplRS（9）次级绕组裸导线的截面积计算与初级的类似，采用28股并绕。（10）初级绕组的电阻和铜

20、耗 式中， 为导线截面积， 为初级绕组每匝平均长度， 为铜的电阻率plpS 代入参数，求得Rp=47.32,进而可求得初级绕组铜耗为0.081W（11）次级绕组的电阻和铜耗 与初级的算法类似，可求得次级绕组铜耗为0.09w，所以，变压器的总铜耗为0.171w。v3.2推挽式开关电源变压器的设计 根据磁感应强度和磁芯损耗的关系曲线可得出磁芯损耗约为0.331w，所以变压器的总损耗为 P =1.5P铜+0.331=0.588w。 本设计中，已经考虑了绕组的涡流效应、趋肤效应、杂散效应及耦合损耗等交流损耗，结果满足设计要求。 热阻Rt=340C/w，总的温升为t=RtP=34*0.588=20250

21、Cv3.3半桥式开关电源变压器设计（1） 设定开关频率 开关频率对电源的体积、重量等影响很大。开关频率越高，变压器磁芯就会选得更小，输出滤波电感和电容体积也会减小，但开关损耗增加，效率下降，散热器体积加大。综合考虑两方面，设定其工作频率为 50kHz。v3.3半桥式开关电源变压器设计SB（2） 选磁芯 磁芯选用R2KB软磁铁氧体材料，其饱和磁感应强度 4700Gs，考虑到高温时 会下降，同时为防止合闸瞬间变压器饱和，设定最大工作磁密 1500Gs 。对半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时，可按下式来确定磁芯的大小。本设计选用EE-40型铁氧体磁芯，由手册知其参数为： 127mm2, =173mm

22、2，则 2.20cm4，远大于的 计算值。 mBSBeAwAucmsOwePKJKBfPAAA2106SB31eAwAPA式中，各参数含义（3）原边匝数计算 按最低输入电压和满载输出的严酷情况来计算。已知最小输入交流电压为180V，减去20V的直流纹波电压和整流器的压降，最小直流电压为Vinmin1801.420232V。半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半，即U1min=116V。则原边绕组匝数N1由下式计算:得N130.5匝，经实验实际取值为34匝。v3.3半桥式开关电源变压器设计emsABfUN411v3.3半桥式开关电源变压器设计（4） 核算最大输入交流电压时的最大磁密

23、利用计算出来的变压器初级匝数，核算变压器在最大输入交流电压Vinmax时的 ，看磁芯是否饱和。由于Vinmax2601.4364V。故半桥式电路变压器原边绕组所加电压U1max=182V，由原边匝数计算式变形可得： 计算可知，在输入交流电压最大时 ,所以，原边绕组匝数N134匝的选择是合适的。mBmBTANfUBesm21. 010127341050418246311mBSB21（5）副边匝数计算 副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路，设输出方波脉冲占空比 0.8，输出回路二极管压降VD及扼流圈压降VL取VD+VL=1.5V，则变压器副边电压U2为： 故副边匝数为： v3.3半桥式开关电源变压器设计)(6.208.05.1152VVVVULDO)(6341166 .201min122221匝NUUNNv3.3半桥式开关电源变压器设计（6） 原边最大工作电流计算 在最低交流输入电压为180V时，变压器原边通过的电流一定是最大可能的工作电流，由经验公式可得，原边最大工作电流为： )(94.123215033minAV