高頻變壓器參數是怎麼計算的

脈衝變壓器也可稱作開關變壓器，或簡單地稱作高頻變壓器。在傳統的高頻變壓器設計中，由於磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發展，電源系統的小型化、高頻化和大功率化已成為一個永恆的研究方向和發展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率比的關鍵因素。 隨著應用技術領域的不斷擴展，開關電源的應用愈來愈廣泛，但製作開關電源的主要技術和耗費主要精力就是製作開關變壓器的部件。 開關變壓器與普通變壓器的區別大致有以下幾點： (1)電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級繞組中電流都是非正弦波。 (2)變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十赫茲，甚至高達幾十萬赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時必須考慮能滿足高頻工作的需要及鐵芯中有高次諧波的影響。 (3)繞組線路比較複雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級繞組的尺寸，增大了變壓器的體積和重量，而且使繞組在鐵芯視窗中的分佈關係發生變化。 圖1 開關電源原理圖 本文介紹了一款如圖1所示的DC—DC變換器，輸入電壓為直流24V，輸出電壓分別為5V及12V的多路直流輸出。要求各路輸出電流都在lA以上，核心器件是美國Unitrode公司生產的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調製器晶片UC3842，最高工作頻率可達200kHz。根據鋅錳鐵氧體合金的優異電磁性能，通過具體示例介紹工作頻率為100kHz的高頻開關電源變壓器的設計及注意事項。 2變壓器磁芯的選擇與工作點的確定 2．1 磁芯材料的選擇 從變壓器的性能指標要求可知，傳統的薄帶矽鋼已很難滿足變壓器在頻率、使用環境方面的設計要求。磁芯的材料只有從坡莫合金、鐵氧體材料、鈷基非晶態合金和超微晶合金幾種材料中來考慮。坡莫合金、鈷基非晶態價格高，約為鐵氧體材料的數倍，而飽和磁感應強度Bs也不是很高，且加工工藝複雜。考慮到我們所要求的電源輸出功率並不高，大約為30W，因此，綜合幾種材料的性能比較，我們還是選擇了飽和磁感應強度Bs較高，溫度穩定性好，價格低廉，加工方便的性價比較低的鋅錳鐵氧體材料，並選以此材料作為框架的EI28來繞制本例中的脈衝變壓器。 2．2工作點的確定 根據相關資料，EC35輸出功率為50W，飽和磁感應強度大約在2000Gs左右。買來的磁芯，由於廠家提供的磁感應強度月，值並不準確，可用圖2所提供的方式粗略測試一下。將調壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形。將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發生奇變。此時，磁芯已飽和，根據公式： U＝4．44fN1 Φ m可推知在工頻時的Φ m值。要求不高時，可根據測算出的Φ m，粗略估算出原線圈的匝數，。 圖2 工作點測試示意圖 3 變壓器主要參數的計算 本例中的變換器採用單端反激式工作方式，單端反激變換器在小功率開關電源設計中應用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種：電流連續模式和電流斷續模式。前者適用於較小功率，副邊二極體存在沒有反向恢復的問題，但MOS管的峰值電流相對較大；後者MOS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極體的反向恢復問題，需要給二極體加吸收電路。這兩種工作模式可根據實際需求來選擇，本文採用了後者。 設計變壓器時大多需要考慮下面問題：變換器頻率f(H2)；初級電壓U 1(V)，次級電壓U 2(V)；次級電流i 2(A)；繞組線路參數n 1、，n 2；溫升τ(℃)；繞組相對電壓降u；環境溫度τHJ(℃)；絕緣材料密度γz(g／cm3) 1

高頻變壓器製作與技術參數 脈衝變壓器也可稱作開關變壓器，或簡單地稱作高頻變壓器。在傳統的高頻變壓器設計中，由於磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發展，電源系統的小型化、高頻化和大功率化已成為一個永恆的研究方向和發展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率比的關鍵因素。

脈衝變壓器也可稱作開關變壓器，或簡單地稱作高頻變壓器。在傳統的高頻變壓器設計中，由於磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發展，電源系統的小型化、高頻化和大功率化已成為一個永恆的研究方向和發展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率比的關鍵因素。隨著應用技術領域的不斷擴展，開關電源的應用愈來愈廣泛，但製作開關電源的主要技術和耗費主要精力就是製作開關變壓器的部件。開關變壓器與普通變壓器的區別大致有以下幾點：(1)電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級繞組中電流都是非正弦波。(2)變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十赫茲，甚至高達幾十萬赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時必須考慮能滿足高頻工作的需要及鐵芯中有高次諧波的影響。(3)繞組線路比較複雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級繞組的尺寸，增大了變壓器的體積和重量，而且使繞組在鐵芯視窗中的分佈關係發生變化。圖1 開關電源原理圖本文介紹了一款如圖1所示的DC—DC變換器，輸入電壓為直流24V，輸出電壓分別為5V及12V的多路直流輸出。要求各路輸出電流都在lA以上，核心器件是美國Unitrode公司生產的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調製器晶片UC3842，最高工作頻率可達200kHz。根據鋅錳鐵氧體合金的優異電磁性能，通過具體示例介紹工作頻率為100kHz的高頻開關電源變壓器的設計及注意事項。2變壓器磁芯的選擇與工作點的確定2．1 磁芯材料的選擇從變壓器的性能指標要求可知，傳統的薄帶矽鋼已很難滿足變壓器在頻率、使用環境方面的設計要求。磁芯的材料只有從坡莫合金、鐵氧體材料、鈷基非晶態合金和超微晶合金幾種材料中來考慮。坡莫合金、鈷基非晶態價格高，約為鐵氧體材料的數倍，而飽和磁感應強度Bs也不是很高，且加工工藝複雜。考慮到我們所要求的電源輸出功率並不高，大約為30W，因此，綜合幾種材料的性能比較，我們還是選擇了飽和磁感應強度Bs較高，溫度穩定性好，價格低廉，加工方便的性價比較低的鋅錳鐵氧體材料，並選以此材料作為框架的EI28來繞制本例中的脈衝變壓器。2．2工作點的確定根據相關資料，EC35輸出功率為50W，飽和磁感應強度大約在2000Gs左右。買來的磁芯，由於廠家提供的磁感應強度月，值並不準確，可用圖2所提供的方式粗略測試一下。將調壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形。將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發生奇變。此時，磁芯已飽和，根據公式：U＝4．44fN1 Φ m可推知在工頻時的Φ m值。要求不高時，可根據測算出的Φ m，粗略估算出原線圈的匝數，。圖2 工作點測試示意圖3 變壓器主要參數的計算本例中的變換器採用單端反激式工作方式，單端反激變換器在小功率開關電源設計中應用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種：電流連續模式和電流斷續模式。前者適用於較小功率，副邊二極體存在沒有反向恢復的問題，但MOS管的峰值電流相對較大；後者MOS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極體的反向恢復問題，需要給二極體加吸收電路。這兩種工作模式可根據實際需求來選擇，本文採用了後者。設計變壓器時大多需要考慮下面問題：變換器頻率f(H2)；初級電壓U 1(V)，次級電壓U 2(V)；次級電流i 2(A)；繞組線路參數n 1、，n 2；溫升τ(℃)；繞組相對電壓降u；環境溫度τHJ(℃)；絕緣材料密度γz(g／cm3)1)根據變壓器的輸出功率選取鐵芯，所選取的鐵芯的戶，值應等於或大於給定值。2)繞組每伏匝數(1)S T是鐵芯的截面積；k T是視窗的填充係數；3)初級繞組電勢E 1＝U 1(1－) (2)4)初級繞組匝數W 1＝W 0 E l (3)5)次級繞組電勢E 2i＝U 2i (1+) (4)6)次級繞組匝數W 2i＝W 0 E 2i (5)7)初級繞組電流(6)8)次級繞組電流 (7)其中，n 1、n 2：分別是初級繞組和次級繞組的每層匝數。9)初級繞組線徑(8)10)次級繞組線徑(9)其中，j是電流密度。詳細的變壓器設計方法與計算相當複雜，本文參照經驗公式，依據下面的步驟設計了本例轉換器中的高頻變壓器。3．1 確定變壓器的變比根據輸出電壓U0的關係式(10)得變比為(11)式中U D為整流器輸出的直流電壓。本例中U D＝24V，f為100kHz，t ON取0．5；n＝2。3．2 計算初級線圈中的電流已知輸出直流電壓U0＝±12V、5V，負載電流均為I 0＝lA，則輸出功率P0＝P1+P2+P3＝29W開關電源的效率η一般在60～90%之間，本例取η＝0．65，則輸入功率為初級的平均電流為假定初級線圈的初始電流為零，那麼，在開關管的導通期tON裡，初級線圈中的電流心便從零開始線性增長到峰值I 1P3．3 計算初級繞組圈數N1初級繞組的最小電感L1為根據輸出功率P的大小，選用適當的磁芯，其形狀用環形、EI形或罐形均可，本例採用EI28，該類型的鐵芯在f＝50kHz時，功率可達到60W，在f＝100kHz時，輸出功率可達到90W。式中Ilp—初級線圈峰值電流，A；L 1—初級電感，H；S—磁芯截面積，mm2；B m—磁芯最大磁通密度，T。3．4 計算次級繞組圈數N2即±12V分別繞5匝，5V繞3匝。3．5 回饋繞組N3的估算回饋繞組匝數的確定，要求既能保證開關元件的飽和導通又不至於造成過大損耗。根據UC3842的要求，回饋繞組的輸出電壓應在13V左右。因此，3．6 導線線徑的選取根據輸入輸出的估算，初線線圈的平均電流值應該允許達到2A。1)初級繞組初級繞組的線徑可選d＝0．80mm，其截面積為0．5027mm2的圓銅線。2)次級繞組次級繞組的線徑可根據各組輸出電流的大小，利用原級相同線徑採用多股並繞的辦法解決。為了方便線圈繞制，也可選用線徑較粗的導線。由於工作頻率較高，應考慮集膚效應的影響。3．7 線圈繞制與絕緣繞制開關變壓器最重要的問題是想辦法使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因為漏感過大，將會造成較大的尖峰脈衝，從而擊穿開關管。因此，在繞制高頻變壓器線圈時，應儘量使初、次級線圈之間的距離近些。具體可採用以下方法：(1)雙線並繞法將初、次級線圈的漆包線合起來並繞，即所謂雙線並繞。這樣初、次級線間距離最小，可使漏感減小到最小值。但這種繞法不好繞制，同時兩線間的耐壓值較低。(2)逐層間繞法為克服並繞法耐壓低、繞制困難的缺點，用初、次級分層間繞法，即1、3、5行奇數層繞初級繞組，2、4、6等偶數層繞次級繞組。這種繞法仍可保持初、次級間的耦合，又可在初、次級間墊絕緣紙，以提高絕緣程度。(3)夾層式繞法把次級繞組繞在初級繞組的中間，初級分兩次繞。這種繞法只在初級繞組中多一個接頭，工藝簡單，便於批量生產。本例中，為減小分佈參數的影響，初級採用雙線並繞連接的結構，次級採用分段繞制，串聯相接的方式，即所謂堆疊繞法。降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣應儘量選用抗電強度高、介質損耗低的複合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力，本例中，因為不涉及高壓，絕緣問題不必特殊考慮。4 結束語繞制脈衝變壓器是製作開關電源的重要工作，也是設計與製作過程中消耗大量時間和主要精力的工作。變壓器做得好，整個設計與製作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會出現停振、嘯叫或輸出電壓不穩、負載能力不高等現象。在變壓器的溫升

脈衝變壓器也可稱作開關變壓器，或簡單地稱作高頻變壓器。在傳統的高頻變壓器設計中，由於磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發展，電源系統的小型化、高頻化和大功率化已成為一個永恆的研究方向和發展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率比的關鍵因素。

高頻變壓器的計算功率 半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時，其開關電源變壓器的計算功率為： Pt=UoIo(1＋1/η)(1) 將Uo=2100V,Io=0.08A,η=80％代入式（1），可得Pt=378W。 3.2變壓器的設計輸出能力 變壓器的設計輸出能力為： Ap=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16（2） 式中：工作頻率f為30kHz，工作磁感應強度Bm取0.6T，磁心的視窗占空係數KW取0.2，矩形磁心的電流密度（溫升為50℃時）KJ取468。經計算，變壓器的設計輸出能力AP=0.511cm4。 3.4繞組計算 初級匝數：D取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs, 忽略開關管壓降，Up1=Ui/2=150V。 N1=初級繞組Up1Ton10－2/2BmAc=(150×16.67)10－2 /(2×0.6×1×1×0.7)=29.77匝 取N1=30匝 次級匝數：忽略整流管壓降，Up2=Uo=2100V。 N2=Up2N1/Up1=(30×2100)/150=420匝 3.5導線線徑 Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A 電流密度：J=KjAp－0.1410－2=468×0.511－0.14 ×10－2=5.14A/mm2 考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2 （1）： 計算導線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2 初級繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。 (2)次級繞組： 計算導線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。 次級繞組的線徑可選d=0.16mm的圓銅線，其截面積為0.02mm2。為了方便線圈繞制也可選用線徑較粗的導線。 4線圈繞制與絕緣 為減小分佈參數的影響，初級採用雙腿並繞連接的結構，次級採用分段繞制，串聯相接的方式，降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性，繞制後的線圈厚度約為4.5mm。小於磁心窗口寬度13.4mm的一半。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強度高、介質損耗低的複合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力。變壓器絕緣則採用整體灌注的方法來保證變壓器的絕緣使用要求