高頻變壓器設(shè)計(jì)8

1、第八講：高頻變壓器設(shè)計(jì)主講主講:馬瑞卿馬瑞卿電氣工程系電氣工程系2011.10高頻變壓器設(shè)計(jì)v1、概述v2、設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求v3、設(shè)計(jì)舉例v4、總結(jié)高頻變壓器設(shè)計(jì)1、概述l1）定義：變壓器是一種電能轉(zhuǎn)換裝置，它以相同 的頻率，但往往是不同的電壓和電流把能量從一 個(gè)或多個(gè)電路轉(zhuǎn)換到另一個(gè)或多個(gè)電路中去。l2）作用：磁能轉(zhuǎn)換 ；電壓變換； 絕緣隔離。l3）特點(diǎn)：和工頻變壓器相比，體積小、重量輕、 轉(zhuǎn)換效率高，頻率提高了幾百倍，繞組圈數(shù)大大 減少，銅耗、調(diào)整率也變小，但鐵芯中的損耗隨 著頻率的提高大大增加。高頻變壓器設(shè)計(jì)1、概述l4）新型變壓器： a、平面變壓器：沒有銅導(dǎo)線，代之 以單層或多層印刷電

2、路板，因而厚度遠(yuǎn)低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上。 其突出優(yōu)點(diǎn)是：能量密度高，因而體積大大縮小，相當(dāng)于常規(guī)變壓器的20%；效率高，通常為97%-99%；工作頻率高，從50kHz到2MHz；漏感低(小于0.2%)；電磁干擾小(EMI)等 高頻變壓器設(shè)計(jì)1、概述l4）新型變壓器： b、 壓電變壓器：壓電變壓器是應(yīng)用電能-機(jī)械能-電能的一種新型變壓器，它是利用壓電陶瓷電致伸縮的正向和反向特性而制成的。 高頻變壓器設(shè)計(jì)1、概述為什么要自己設(shè)計(jì)高頻變壓器呢？ 變壓器涉及的參數(shù)太多，如電壓、電流、頻率、溫度、能量變化、漏電感、磁材料參數(shù)、損耗等。磁材料參數(shù)測量困難也增加了人們的困惑。就以Magn

3、etics公司的一種MPP鐵磁材料來說，它有10種u值，26種尺寸，能在5種溫升限額下穩(wěn)定工作，這便有1300種組合，再加前述電參數(shù)等，將有不計(jì)其數(shù)的組合，廠家為用戶提供現(xiàn)貨是不可能的，因此，決大多數(shù)變壓器要自己設(shè)計(jì)，或提供參數(shù)委托設(shè)計(jì)加工。高頻變壓器設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求2.1、基本要求2.2、磁芯2.3、漏感和分布電容2.4、趨膚效應(yīng)2.5、絕緣問題v2.1、基本要求 設(shè)計(jì)變壓器時(shí),應(yīng)當(dāng)預(yù)先知道工作頻率、電路拓?fù)?、變壓器損耗、輸入和輸出電壓、輸出功率或輸出電流以及環(huán)境條件等。同時(shí)根據(jù)輸出功率與變壓器各參數(shù)（如磁芯截面積、磁芯窗口面積、骨架面積、峰值磁通密度、變壓器工作頻率及線圈電流密度等

4、）之間的數(shù)量關(guān)系確定變壓器磁芯尺寸。設(shè)計(jì)變壓器時(shí)應(yīng)滿足最壞情況，以保證設(shè)計(jì)的變壓器在規(guī)定范圍內(nèi)都能達(dá)到工作要求，確保在體積最小情況下獲得最大輸出功率。v2.2、磁芯（1）性能要求：盡可能高的磁感應(yīng)強(qiáng)度；盡可能高的磁導(dǎo)率；磁損失要??；要求線包加工及裝配容易；磁特性隨溫度變化要小，即穩(wěn)定的溫度系數(shù)。 鐵氧體磁芯由于價(jià)格便宜，磁芯形式多樣，得到了廣泛的應(yīng)用，但也有很多缺點(diǎn)。在體積重量、環(huán)境條件及性能指標(biāo)要求高的場合可使用坡莫合金和非晶態(tài)合金等材料。三種材料主要磁性能見表（1）v2.2、磁芯（2）可傳輸功率與f的關(guān)系： （1） 式中，f 為工作頻率，Bmax 為最大允許磁通密度，Ae 為磁路截面積，C

5、為與開關(guān)電源電路工作型式有關(guān)的系數(shù)，Wd為繞組設(shè)計(jì)系數(shù)（包括電流密度、占空因子、繞組截面積等）。 磁芯總損耗與工作頻率及工作磁通的關(guān)系： （2） 式中，Ve為有效體積，n是Steinmetz指數(shù)，對功率鐵氧體的典型值是2.5，指數(shù)m=11.3（磁損由磁滯損耗引起時(shí)m=1；當(dāng)f=10100kHz時(shí)m=1.3；當(dāng)f100kHz時(shí)，m 將增大。dethWACfBPmax enmLVBKfP 返回v2.2、磁芯（2）可傳輸功率與f的關(guān)系 當(dāng)前開關(guān)電源的目標(biāo)是在給定通過功率下要減小尺寸和重量，由（1）式知，要提高變壓器通過功率，可提高頻率。但是提高頻率除了要應(yīng)用快速晶體管以外，還受其他電路影響所限制，如

6、電壓和電流的快速改變，在開關(guān)電路中產(chǎn)生擴(kuò)大的諧波譜線，造成無線電頻率干擾，電源的輻射。對磁芯來說，由（2）式知，f增大，磁損增加，因此，提高f還要求改進(jìn)高頻磁芯損耗。v2.2、磁芯（3）工作磁通密度 變壓器工作磁通密度受兩方面的限制：一是磁芯損耗引起的可允許溫升 ；二是鐵氧體材料飽和磁通密度。對單端正向型變壓器， ；對推挽式變壓器， 。 （3） 式中，Cb和n是與磁芯材料有關(guān)的系數(shù)；Ve是有效體積；Rth為熱阻。 由（3）式計(jì)算出的 較高時(shí)，還受磁通密度偏移 所限制。對不等截面磁芯（如E型），在最小截面 處有較高磁通密度。還必須按下式計(jì)算： （4） 由（3）（4）所得的最小磁密偏移值即為可允許

7、的磁密值。ntheFebRVCBrmBBBmBB2FeBadmBminAeadmAABBminv2.2、磁芯（4）材料性能因子（PF） 由（1）式得，傳輸相同功率，性能因子增大可減小磁芯體積，反之，相同磁芯尺寸的變壓器采用高的PF可傳輸更大的功率。PF是與鐵氧體材料有關(guān)的參數(shù)，良好的高功率鐵氧體顯示出高的PF值。圖3給出了德國西門子公司幾中鐵氧體材料性能因子與頻率的關(guān)系，圖中可看出經(jīng)過改進(jìn)的N59材料可使用到1MHz以上頻率。 改進(jìn)PF可從降低材料高頻損耗著手，已發(fā)現(xiàn)對應(yīng)材料PF最大值的頻率與材料晶粒尺寸d、交流電阻率 有關(guān)，如圖4，考慮到渦流損耗與 之間的關(guān)系，兩者結(jié)果是一致的。maxfB2

8、dv2.2、磁芯（5）熱阻Rth 熱阻為每瓦特總消散時(shí)規(guī)定熱點(diǎn)處的溫升( K/ W)。磁芯溫升與磁芯總損耗的關(guān)系可用下式表示: (5) 為得到最佳傳輸功率，應(yīng)盡量減小熱阻。熱阻可用下述經(jīng)驗(yàn)公式來表示 式中，S為磁芯表面積，d為磁芯尺寸， 為表面熱傳導(dǎo)系數(shù)， 為磁芯內(nèi)部熱傳導(dǎo)系數(shù)。對電源變壓器用的鐵氧體材料，必須具有低的功耗和高的熱傳導(dǎo)系數(shù) 。對高頻變壓器磁芯，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增加暴露面積，如擴(kuò)大背部和外翼，或制成寬而薄的形狀以降低熱阻，提高通過功率。FethFePR dSRth11v2.2、磁芯（6）磁芯總損耗： 軟磁鐵氧體磁芯損耗通常由三部分構(gòu)成：磁滯損耗 ；渦流損耗 ；剩余損耗 。 每種損耗產(chǎn)

9、生的頻率范圍是不同的。見圖7 hPPcrPv2.2、磁芯（6）磁芯總損耗磁滯損耗 工作在100kHz以下的功率鐵氧體磁芯，要選擇鐵氧體成分使材料具有較小矯頑力和最小各向異性常數(shù)，另外，此成分還應(yīng)有低的磁滯伸縮常數(shù)，工藝上要避免內(nèi)外應(yīng)力和夾雜物。采用大而均勻的晶粒是有利的，因?yàn)槌C頑力正比于晶粒尺寸的倒數(shù)。BdHfPhv2.2、磁芯（6）磁芯總損耗渦流損耗 式中 是尺寸常數(shù)，是測量頻率時(shí)的電阻率。 隨著頻率的提高，渦流損耗在總損耗中所占比例逐步增大，當(dāng)工作在200500kHz時(shí)，渦流損耗常占支配地位。減小渦流損耗主要是提高多晶鐵氧體的電阻率。從材料微觀結(jié)構(gòu)考慮，應(yīng)有均勻的小晶粒, 以及高電阻率的晶

10、界和晶粒。因?yàn)樾【Я＞哂凶畲缶Ы绫砻娑龃箅娮杪? 而在材料中添加CaO + SiO2 或者Nb2O5 、ZrO2 和Ta2O5 均對增高電阻率有益。/22BfCPceeCv2.2、磁芯（6）磁芯總損耗剩余損耗 最近發(fā)現(xiàn),當(dāng)電源變壓器磁芯工作在達(dá)MHz 頻率時(shí),剩余損耗已占支配地位,采用細(xì)晶粒鐵氧體已成功地縮小了此損耗的貢獻(xiàn)。對MnZn 鐵氧體來說, 在MHz 頻率出現(xiàn)鐵磁諧振,形成了鐵氧體的損耗。最近有人提出, 當(dāng)鐵氧體的磁導(dǎo)率隨晶粒尺寸減小而降低時(shí), Snoek 定律仍是有效的, 也就是說, 細(xì)晶粒材料顯示出高的諧振頻率,因此可用于更高頻率。另外,對晶粒尺寸小到納米級的鐵氧體材料研究表明,

11、在此頻段還應(yīng)考慮晶粒內(nèi)疇壁損耗。v2.2、磁芯（7）居里溫度 居里溫度是表示磁性材料失去磁特性的溫度，一般材料的居里溫度在200以上，但是變壓器的實(shí)際工作溫度不應(yīng)高于80oC，這是因?yàn)樵?00以上時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs己跌至常溫時(shí)的70%。因此過高的工作溫度會(huì)使磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度嚴(yán)重跌落。再者，當(dāng)高于100時(shí)，其功耗己經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)。v2.3、漏感和分布電容 瞬變過程中，漏感和分布電容引起浪涌電流和尖峰電壓以及頂部振蕩，造成損耗增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損害開關(guān)管。設(shè)計(jì)時(shí)一般主要靠考慮漏感，在輸出為高電壓、輸出繞組匝數(shù)多、層數(shù)多時(shí)應(yīng)考慮分布電容的影響。 2.3.1漏感的計(jì)算（1）對殼式

12、磁芯（單線包）)(10)(31l26. 1802m21HhMWKLmLSv2.3漏感和分布電容2.3.1漏感的計(jì)算（2）對心式磁芯（雙線包）)(10)(31l63. 0802m21HhMWKLmLS在以上兩式中： ：漏感 ：初次級繞組的平均厚度 ：繞組的高度 ：漏感修正系數(shù) ：初、次級繞組絕緣厚度 、 ：每柱上初、次級線圈的厚度 ：漏磁勢組數(shù)（不大于4） SLLKMmhml0v2.3漏感和分布電容 2.3.2分布電容的計(jì)算（具體方法不做介紹） 變壓器的分布電容由以下幾部分組成：各繞組對磁芯的分布電容各繞組線匝之間的分布電容繞組與繞組之間的分布電容各繞組上下層之間的分布電容v2.4趨膚效應(yīng)（1）

13、穿透深度：交流電流沿導(dǎo)線表面開始能達(dá)到的徑向深度。)(1023mmruHur)(1.66mmfH 式中， 為角頻率； 為導(dǎo)線的導(dǎo)磁率； 為導(dǎo)線的電導(dǎo)率。導(dǎo)線為圓銅導(dǎo)線時(shí)，上式變?yōu)椋海?）導(dǎo)線的選擇原則 導(dǎo)線直徑應(yīng)小于兩倍穿透深度，當(dāng)導(dǎo)線要求的直徑大于由穿透深度決定的最大直徑時(shí)，可采用小直徑導(dǎo)線多股并繞或采用扁銅帶繞制。v2.4趨膚效應(yīng)（3）交流電阻的計(jì)算 存在趨膚效應(yīng)時(shí)，應(yīng)使用交流電阻有效值Ra來計(jì)算線圈壓降和損耗。Ra=kr*Rd, 其中Rd為直流電阻，kr為趨表系數(shù)，如下式，D為導(dǎo)線直徑。HHDDkr)()2/(2（4）電流有效值的計(jì)算 在開關(guān)電源變壓器中，計(jì)算損耗時(shí)應(yīng)該采用交流電流有效值

14、（均方根值）3.設(shè)計(jì)舉例v3.1單端反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)v3.2推挽式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)v3.3半橋式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)v3.1單端反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)給定的基本條件：u電路形式；u工作頻率；u輸入電壓和電流值；u開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間或占空比；u隔離電位；u要求的漏感與分布電容；u工作環(huán)境條件v3.1單端反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)（1）輸入和輸出電壓11UUUinpioisiUUU1pUinUiUoiUsiU式中， 為初級輸入額定電壓， 為輸入直流電壓， 為變壓器次級繞組輸出電壓， 為變壓器次級繞組負(fù)載端的直流電壓， 為開關(guān)管及線路壓降。（2）最大占空比Ttonmaxma

15、x（3）匝數(shù)比sipiUUn11（4）初級電感fIULppP1maxmin11v3.1單端反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)maxmin1012pPUPI（5）初級繞組峰值電流a.開關(guān)管截至期間變壓器儲(chǔ)存的能量完全釋放b.開關(guān)管截至期間儲(chǔ)存的能量不完全釋放1111101111121spsppspspPnUUnUUfLPnUUnUUI（6）變壓器初、次級繞組電流有效值101)1 (pUPI)1 (1112SpUUII（7）工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度SBB5 . 0mSBv3.1單端反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)JISimi（8）導(dǎo)線規(guī)格的確定miSiIJmpppBDILA21113921D式中： 為各

16、繞組導(dǎo)線截面積； 為各繞組中電流有效值； 為電流密度。選擇導(dǎo)線時(shí)還應(yīng)考慮肌膚效應(yīng)的影響（9）計(jì)算磁芯截面積來確定磁芯尺寸式中， 為變壓器初級繞組導(dǎo)線的直徑。根據(jù)計(jì)算值，從變壓器磁芯規(guī)格表中選擇符合要求的變壓器磁芯。v3.1單端反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)22114 . 0mcppBAILgcAeccppALLW131092. 8gLBWpmp14 . 0ecL（10）空氣氣隙的確定 為磁芯截面積。采用恒導(dǎo)磁材料時(shí)，磁路中不需要有空氣氣隙。（11）繞組組數(shù)的確定a.初級： （有氣隙） （無氣隙）b.次級：maxmin1max1)1 (psipsUUWW以上幾式中， 為磁芯磁路長度， 為磁芯有效磁導(dǎo)

17、率。v3.1單端反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)（12）分布參數(shù)的計(jì)算，核算窗口尺寸，計(jì)算損耗和溫升 變壓器在確定磁芯型號、導(dǎo)線規(guī)格、線圈匝數(shù)后，要核算分布參數(shù)、校核磁芯窗口尺寸、計(jì)算損耗和溫升v3.2推挽式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì) 以1.5MHz的推挽式開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計(jì)為例，輸入電壓4248V,輸出電壓；輸出功率50W；輸出電壓12V；輸出電流2A4A;允許溫升250C，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖v3.2推挽式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)（1）變壓器最低輸入電壓Up 開關(guān)管漏源電壓為2V,取樣電阻最高電壓為1V，所以Up=42-2-1=39v（2）變壓器最低輸出電壓Uo 肖特基二極管最大正向壓降為0.65V，濾波線圈

18、及導(dǎo)線的壓降為0.15V，所以Uo=12+0.65+0.15=12.8V（3）變壓器初、次級繞組匝數(shù)比N N= Up/ Uo=3.05:1 可取7:2或者10:3,實(shí)際匝數(shù)由磁芯特性決定v3.2推挽式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)（4）初級繞組電流Ip 若變壓器效率為=98%，則Ip=P0/(Up)=1.38A（5）磁芯截面積 由式 得AP=637（mm2）,式中各參數(shù)的意義如下。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查變壓器鐵芯參數(shù)表，選擇G18/11型磁芯。其參數(shù)為Ae=0.433cm2 ,AP=0.0810cm4,66. 0258. 14ine)(24010fKfKKfPAAAPehwv3.2推挽式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

19、（6）確定初、次級繞組匝數(shù)71041eonPBAtUN由匝數(shù)比求的次級繞組匝數(shù)為N2 =2（7）初級電感計(jì)算公式27410epeN ALlexpIAJ l是有效磁路長度， 是有效磁導(dǎo)率，本例所用的磁芯取860，將各參數(shù)代入上式可得Lp=88.7H（8）初級繞組導(dǎo)線裸線的截面積 J為電流密度，取575A/cm2 ,I=0.707Ip,將各參數(shù)代入，可求得Axp =0.001611(cm2)?？紤]到集膚效應(yīng)，采用多股并繞，漆包線直徑為0.15mm,所以取10股并繞。v3.2推挽式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)ppplRS（9）次級繞組裸導(dǎo)線的截面積計(jì)算與初級的類似，采用28股并繞。（10）初級繞組的電阻和銅

20、耗 式中， 為導(dǎo)線截面積， 為初級繞組每匝平均長度， 為銅的電阻率plpS 代入?yún)?shù)，求得Rp=47.32,進(jìn)而可求得初級繞組銅耗為0.081W（11）次級繞組的電阻和銅耗 與初級的算法類似，可求得次級繞組銅耗為0.09w，所以，變壓器的總銅耗為0.171w。v3.2推挽式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì) 根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁芯損耗的關(guān)系曲線可得出磁芯損耗約為0.331w，所以變壓器的總損耗為 P =1.5P銅+0.331=0.588w。 本設(shè)計(jì)中，已經(jīng)考慮了繞組的渦流效應(yīng)、趨膚效應(yīng)、雜散效應(yīng)及耦合損耗等交流損耗，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。 熱阻Rt=340C/w，總的溫升為t=RtP=34*0.588=20250

21、Cv3.3半橋式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)（1） 設(shè)定開關(guān)頻率 開關(guān)頻率對電源的體積、重量等影響很大。開關(guān)頻率越高，變壓器磁芯就會(huì)選得更小，輸出濾波電感和電容體積也會(huì)減小，但開關(guān)損耗增加，效率下降，散熱器體積加大。綜合考慮兩方面，設(shè)定其工作頻率為 50kHz。v3.3半橋式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)SB（2） 選磁芯 磁芯選用R2KB軟磁鐵氧體材料，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 4700Gs，考慮到高溫時(shí) 會(huì)下降，同時(shí)為防止合閘瞬間變壓器飽和，設(shè)定最大工作磁密 1500Gs 。對半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)，可按下式來確定磁芯的大小。本設(shè)計(jì)選用EE-40型鐵氧體磁芯，由手冊知其參數(shù)為： 127mm2, =173mm

22、2，則 2.20cm4，遠(yuǎn)大于的 計(jì)算值。 mBSBeAwAucmsOwePKJKBfPAAA2106SB31eAwAPA式中，各參數(shù)含義（3）原邊匝數(shù)計(jì)算 按最低輸入電壓和滿載輸出的嚴(yán)酷情況來計(jì)算。已知最小輸入交流電壓為180V，減去20V的直流紋波電壓和整流器的壓降，最小直流電壓為Vinmin1801.420232V。半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓等于輸入電壓的一半，即U1min=116V。則原邊繞組匝數(shù)N1由下式計(jì)算:得N130.5匝，經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)際取值為34匝。v3.3半橋式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)emsABfUN411v3.3半橋式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)（4） 核算最大輸入交流電壓時(shí)的最大磁密

23、利用計(jì)算出來的變壓器初級匝數(shù)，核算變壓器在最大輸入交流電壓Vinmax時(shí)的 ，看磁芯是否飽和。由于Vinmax2601.4364V。故半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓U1max=182V，由原邊匝數(shù)計(jì)算式變形可得： 計(jì)算可知，在輸入交流電壓最大時(shí) ,所以，原邊繞組匝數(shù)N134匝的選擇是合適的。mBmBTANfUBesm21. 010127341050418246311mBSB21（5）副邊匝數(shù)計(jì)算 副邊電路采用帶有中間抽頭的全波整流濾波電路，設(shè)輸出方波脈沖占空比 0.8，輸出回路二極管壓降VD及扼流圈壓降VL取VD+VL=1.5V，則變壓器副邊電壓U2為： 故副邊匝數(shù)為： v3.3半橋式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì))(6.208.05.1152VVVVULDO)(6341166 .201min122221匝NUUNNv3.3半橋式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)（6） 原邊最大工作電流計(jì)算 在最低交流輸入電壓為180V時(shí)，變壓器原邊通過的電流一定是最大可能的工作電流，由經(jīng)驗(yàn)公式可得，原邊最大工作電流為： )(94.123215033minAV