高频开关电源变压器的设计课件

30kHz30kHz 高频开关电源变压器的设计高频开关电源变压器的设计 Design of 30kHz Highfrequency SMPS Transformer 南京电子技术研究所冯挹(南京 210013） 在传统的高频变压器设计中，由于磁心材料的限制，其工作频率较低，一般在 20kHz 左右。随着电 源技术的不断发展，电源系统的小型化，高频化和高功率比已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。 因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积，提高电源输出功率比的关键因素。本文 根据超微晶合金的优异电磁性能，通过示例介绍 30kHz 超微晶高频开关电源变压器的设计。 1 1 变压器的性能指标变压器的性能指标 电路形式：半桥式开关电源变换器原理见图 1： 工作频率 f：30kHz 变换器输入电压 Ui:DC300V 变换器输出电压 U0:DC2100V 变换器输出电流 Io:0.08A 整流电路：桥式整流 占空比 D：190 输出效率 :80 耐压：DC12kV 温升：50 工作环境条件:5585 2 2 变压器磁心的选择与工作点确定变压器磁心的选择与工作点确定 从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢、铁氧体材料已很难满足变压器在频率、使用环 境方面的设计要求。磁心的材料只有从坡莫合金、钴基非晶态合金和超微晶合金三种材料中来考虑， 但坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为超微晶合金的数倍，而饱和磁感应强度 Bs 却为超微晶合金 2/3 左右，且加工工艺复杂。因此，综合三种材料的性能比较（表 1），选择饱和磁感应强度 Bs 高，温度 稳定性好，价格低廉，加工方便的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。 图 1（1）钴基非晶态合金和超微晶合金的主要磁性能比较 材料材料 饱和磁感应强饱和磁感应强 度度/T/T 矫顽力矫顽力 /Am/Am1 1 居里温度居里温度 / 比损耗比损耗 20kHz0.5T/Wkg20kHz0.5T/Wkg1 1 工作频率工作频率 /kHz/kHz 工作温度工作温度 / 超微晶合超微晶合 金金 1.21.2 0.480.481.21.2 2525 150150150150 钴基非晶钴基非晶 态态 0.80.81.21.23403402020 100100120120 坡莫合金坡莫合金 0.70.71.991.994804803030 5050200200 磁心工作点的选择往往从磁心的材料，变压器的工作状态，工作频率，输出功率，绝缘耐压等因 素来考虑。超微晶合金的饱和磁感应强度 Bs 较高约为 1.2T，在双极性开关电源变压器的设计中，磁心 的最大工作磁感应强度 Bm 一般可取到 0.60.7T，经特别处理的磁心，Bm 可达到 0.9T。在本设计中， 由于工作频率、绝缘耐压、使用环境的原因，把最大工作磁感应强度 Bm 定在 0.6T，而磁心结构则定为 不切口的矩形磁心。这种结构的磁心与环形磁心相比具有线圈绕制方便、分布参数影响小、磁心窗口 利用率高、散热性好、系统绝缘可靠、但电磁兼容性较差。 3 3 变压器主要参数的计算变压器主要参数的计算 3.13.1 变压器的计算功率变压器的计算功率 半桥式变换器的输出电路为桥式整流时，其开关电源变压器的计算功率为： Pt=UoIo(11/)(1) 将 Uo=2100V,Io=0.08A,=80代入式（1），可得 Pt=378W。 3.2 变压器的设计输出能力 变压器的设计输出能力为： Ap=(Pt104/4BmfKWKJ)1.16（2） 式中：工作频率 f 为 30kHz，工作磁感应强度 Bm 取 0.6T，磁心的窗口占空系数 KW 取 0.2，矩形磁心的 电流密度（温升为 50时）KJ 取 468。经计算，变压器的设计输出能力 AP=0.511cm4。 3.33.3 变压器的实际输出能力变压器的实际输出能力 铁基超微晶铁心及超微晶软磁合金通过省级技术鉴定 1999 年 10 月 24 日，由江西省科委等机关委托主持的对江西大有科技有限公司研制的新产品 DYON 型铁基超微晶磁铁心和超微晶软磁合金通过了省级技术鉴定，获得与会专家学者的高度评价， 一致认为这两项产品性能稳定，各项技术指标分别达到美国 UL94P 标准和国标 GBm29289 技术要求， 在国内同类产品中具有特色。 非晶态（超微晶）软磁合金，是 90 年代世界六大高科技新型材料之一，它具有优异的特点，目前 国内市场供不应求，前景广阔。 联系人：江西省宜春市东风大街 62 号宜春地区粮食局（336000）方华平 变压器的输出能力即磁心的输出能力，它取决于磁心面积的乘积（AP），其值等于磁心有效截面积 （AC）和它的窗口截面积（Am）的乘积，即：AP=ACAm(3) 在变压器的设计中，变压器的输出能力必须大于它的设计输出能力。在设计中，我们选用的矩形磁 心的尺寸为：10103913.4（即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），实际 AP 达 3.66cm4(其 中磁心截面积的占空系数 KC 取 0.7)，大于变压器的设计输出能力 0.511cm4，因此，该磁心能够满足 设计使用要求。 3.43.4 绕组计算绕组计算 初级匝数：D 取 50，Ton=D/f=0.5/(30103)=16.67s, 忽略开关管压降，Up1=Ui/2=150V。 N1=Up1Ton102/2BmAc=(15016.67)102 /(20.6110.7)=29.77 匝 取 N1=30 匝 次级匝数：忽略整流管压降，Up2=Uo=2100V。 N2=Up2N1/Up1=(302100)/150=420 匝 3.53.5 导线线径导线线径 Ip1=Up2Ip2/Up1=0.082100/150=1.12A 电流密度：J=KjAp0.14102=4680.5110.14 102=5.14A/mm2 考虑到线包损耗与温升，把电流密度定为 4A/mm2 （1）初级绕组： 计算导线截面积为 Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2 初级绕组的线径可选 d=0.63mm,其截面积为 0.312mm2 的圆铜线。 (2)次级绕组： 计算导线截面积为 Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。 次级绕组的线径可选 d=0.16mm 的圆铜线，其截面积为 0.02mm2。为了方便线圈绕制也可选用线径较粗 的导线。 4 4 线圈绕制与绝缘线圈绕制与绝缘 为减小分布参数的影响，初级采用双腿并绕连接的结构，次级采用分段绕制，串联相接的方式， 降低绕组间的电压差，提高变压器的可靠性，绕制后的线圈厚度约为 4.5mm。小于磁心窗口宽度 13.4mm 的一半。在变压器的绝缘方面，线圈绝缘选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸，提 高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力。变压器绝缘则采用整体灌注的方法来保证变压器的绝缘使 用要求。 5 5 结束语结束语 该超微晶开关电源变压器，环氧灌注绝缘后通过了产品的电性能检测和机载条件的环境试验，已 用于机载设备，变压器的温升100 kHz)开关电源中用高频磁放大器(Magamp)，即可控饱和电感(Controlled Saturable Inductor)，作为其中一路输出 的电压调节器(Output Regulator)，称为后置调节器(Post-regulator)。其优点是：电路简单、EMI 小、可靠、高效，可较精确地调节输 出电压。特别适合应用于输出电流为 1 安到几十安的开关电源。 6.饱和电感技术 饱和电感(Saturable inductor) 是带铁心(无空隙)的线圈, 其特点是：铁心的饱和程度和电感量随通过的电流大小而变。如果铁心 磁特性是理想的(例如呈矩形)，则饱和电感工作时，类似一个开关。在开关电源中，应用饱和电感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除 寄生振荡, 和快恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。 饱和电感在开关电源中的应用 a)用作移相全桥 ZVS-PWM 开关电源的谐振电感，从而扩大了轻载下开关电源满足 ZVS 条件的范围。 b) 消除开关电源的二次寄生振荡 与开关电源的隔离变压器副边输出整流管串联，可消除二次寄生振荡 (Secondary parasitic ringing), 减少循环能量，并使移相全 桥 ZVS-PWM 开关电源的占控比损失最小。 c) 移相全桥 ZVS-PWM 开关电源中实现 ZV-ZCS 和电容串接在移相全桥 ZVS-PWM 开关电源变压器原边，超前臂开关管按 ZVS 工作；当负载电流趋近于零时，电感量增大， 阻止电流反向变化；创造了滞后臂开关管 ZCS 条件，实现移相全桥 ZV-ZCS PWM 开关电源。 7.分布电源技术、并联均流技术 分布电源技术(Distributed Power Technique)是将 250-425 /48V DC-DC 变换器产生的 48 V 母线(Distributed Bus)电压，供电给负 载板(Board), 再通过板上(On board)若干个并联的薄型(Low Profile)DC-DC 变换器，将 48 V 变换为负载所需的 3.3-5 V 电压。一般， DC-DC 变换器的功率密度达 100 W/in3、效率 90%，并且应当是可并联的(Parallelable)。分布电源系统适合于用超高速集成电路 (Very High Speed IC-VHSIC)组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等，其优点是：可降低 48 V 母线上的电流 和电压降；容易实现 N+1 冗余(Redundancy)，提高了系统可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量； 可实现 DC-DC 变换器组件模块化(Modularity)；易于使用插件连接；可在线(On line)更换失效模块等。 8.电源智能化技术和系统的集成化技术 开关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。 以上简要回顾了 20 世纪通信开关电源发展的历程和取得的成就，上述各项技术的应用，尤其是开发高功率密度、高效率、高 性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后通信开关电源技术的发展方向。 进入 21 世纪，我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业，还应协同开发下述和通信开关电源相关的产 品和技术： 1. 探索研制耐高温的高性能碳化硅(SiC)功率半导体器件 可以预见，碳化硅将是 21 世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料，碳化硅的优点是：禁带宽、工作温度高(可达 600)、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN 结耐压高，等等。 2. 平面磁心及平面变压器技术 平面磁心(Planar core)的开发，可实现超薄型(Low profile)变压器和超薄型开关变换器。适用于便携式(Portable)电子设备电源及 板上(On-board)电源。由于其结构呈宽扁形，散热面积大，更适合于高频变压器。 平面变压器要求磁心、绕组都是平面结构,故应采用多层印刷电路(PCB) 绕组，铜箔绕组等。据报道, 国外已有多家公司开发了 平面变压器。Payton 公司制造的 5W-20kW 变压器，其体积及功率密度仅为传统高频变压器的 20%，一个手提箱内可放总功率达几 十 kW、十几种平面变压器。效率 97-99%;工作频率 50kHz- - 2MHz;漏感0.2%；EMI 小。 3集成高频磁元件技术及阵列式(Matrix)磁元件技术 将多个磁元件(如多个电感,变压器和电感)集成在一个磁心上。可以减少变换器体积,降低磁元件损耗。国外已有集成磁元件变 换器(Integrated Magnetics Converter)的报道:50W 输出、5V 及 15V 两路、100kHz,DC-DC 正激变换器，变压器和输出滤波电感在一 个磁心上实现，简称 IM 变换器。 阵列式磁元件技术是将电路中磁元件离散化，形成分布式阵列布置，或形成“磁结构层“，使磁结构与电路板或其他器件紧密配 合，集成化。 4. 磁电混合集成技术 包括磁心与晶体管硅片集成、利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。 5. 新型电容器。 研究开发适合于能源和功率系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。据报道,美国南卡罗里那州 KEMET 电子公司在 90 年代末，已开发出 330F 新型固体鉭(Solid Tantalum)电容，其 ESR 从原来的 500m 降到 30m。 6. S4 功率因数校正(PF Corrected)AC-DC 开关变换技术 一般高功率因数 AC-DC 开关电源, 要用两个电力电子电路串级(Cascade)运行，在 DC-DC 开关变换器前加一级前置功率因数校 正器。对于小功率 PWM 开关电源，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路，总体效率低、成本高。 用一级 AC-DC 开关变换器实现小功率稳压或稳流电源，并使输入端功率因数(PF)校正到 0.8 以上，称为单管单级 (Single Switch Single Stage)，简称 S4 功率因数校正(PF Corrected)AC-DC 开关变换器。例如，前置功率因数校正用 DCM 运行的 Boost 变换器, 后置调节器为反激开关变换器，按 CCM 或 DCM 运行；两级电路合用一个主开关管，因为反激电路有隔离变压器， 故称 S4 功率因数校正隔离式 AC-DC 开关变换器。当然，如果加有源钳位或其他