高频变压器及其它感性元器件概述课件

1.什么是高频变压器？高频变压器是工作频率超过中频（10kHz）的电源变压器，主要用于高频开关电源中，是开关电源最主要的组成部分，不仅对电源效率有较大的影响，而且直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性(EMC)。为此，一个高效率高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小等条件。由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。完成功能有三个：功率传送、电压变换和绝缘隔离。

磁芯结构直接决定了高频变压器的基本框架结构，结构差异，对使用有各自不同影响，主要表现在体积、磁耦合能力、散热效果、露磁，匝数限制等方面。因此，可由特殊化需求而特殊设计，没有绝对情况（参见下图）:

图1

可通过硅钢片、镍钢薄片或铁氧体等材料做成图1各个符合需求的形状结构。我们当前使用的是4个“E”型铁氧体材料对接而成。2.高频变压器的结构两种：第一种是变压器功率的传送方式，加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边。在此情况下，变压器功率传送方式不直接与磁芯磁导率有关，而直接与磁通密度有关；不需要在铁芯上留有气隙，并应减小，利于增大磁通密度。第二种是电感器功率传送方式，原绕组输入的电能，使磁芯激磁，变为磁能储存起来，然后通过去磁使副绕组感应电压，变成电能释放给负载。传送功率决定于电感磁芯储能，而储能又决定于原绕组的电感。电感与磁芯磁导率有关，磁导率高，电感量大，储能多。在此情况下，传送功率不直接与磁通密度有关；在铁芯磁心设计上可以考虑留有气隙，主要是利用气隙储能,如果不开气隙那么反激的电感就需要做得很大,开了气息就可以减少电感,防止变压器饱和。图2.变压器功率传送方式图3.电感器功率传送方式我们使用的是第一种。第一种漏感漏磁较小，但散热效果不太好；第二种便于散热，但漏感漏磁较大。3.高频变压器的功率传送方式提高效率是高频变压器的一个设计要求,一般效率要提高到95%以上，只有降低损耗才能提高效率。高频变压器损耗包括磁芯损耗(铁损)和绕组损耗(铜损),变压器的铁损和铜损的比例随变压器的工作频率发生变化。铁损是高频变压器损耗的主要部分。根据铁损选择磁芯材料是设计的一个主要内容。铜损是由于绝缘铜线（即绕组）产生的损耗，主要包括在发热和漏感方面。尤其是在大功率负载情况下，流经次级线圈电流过大，发热就更为明显，严重时会烧断次级线圈。为提高效率，应尽量选择较粗的导线，并取电流密度J=4～10A/mm。5.高频变压器的损耗

1.铁损是关键，选材很重要。即使是同样型号的铁芯如果工艺处理不好，那品质差别也是很大的，其差别有时甚至高达百分之四五十。从专业的角度来判断铁芯的好与不好，主要是通过激磁电流、铁损耗、饱和参数几项指标来进行综合性价。既然我们选择了变压器功率传送方式，在选择磁芯材料时，要以变压器功率传送方式的要求选择磁芯参数。在确定铁芯材料及损耗时必须考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的影响。2.铜损与线圈材料截面、绕线方式有极大关系。对于负载功率较大的高频变压器，考虑集肤效应和邻近效应,导线材料采用多股绞线(里兹线),有时也采用扁铜线和铜带,绝缘材料采用耐热等级高的材料,采用双层和三层绝缘导线,以减少线圈尺寸。可采用手工绕制线圈，手工绕制可以将变压器的漏磁做得非常小，其在绕制过程中能针对线圈匝数的布局随时予以调整，在绝缘处理工艺的可靠性方面机器绕制也不如手工绕制到位。所以真正的高端变压器一定是纯手工绕制，纯手工绕制的唯一缺点是效率低、速度慢。减小漏感时可采取以下措施：减小初级绕组的匝数NP;增大绕组的宽度(例如选EE型磁芯，以增加骨架宽度b);增加绕组的高、宽比;减小各绕组之间的绝缘层,并且绝缘材料对成本、体积结构均有影响;增加绕组之间的耦合程度。6.降低高频变压器损耗的措施

在设计过程中，应尽可能减小漏感值。因为漏感值大，储存的能量也大，在电源开关过程中突然释放，会产生尖峰电压，增加开关器件承受的电压峰值，也对绝缘不利，产生附加损耗和电磁干扰。漏感大小与原绕组匝数的平方成正比，即原绕组匝数越小，漏感越小，这样可以使变压器的体积变小。变压器初级匝数比较少，损耗会少些，但对开关的冲击比较大，反压会有些高，纹波稍大。在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损耗就愈大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的1%～3%。要想达到1%以下的指标，在制造工艺上将难于实现。7.漏感的影响及危害

高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导体的穿透能力与开关频率的平方根成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的2倍。举例说明，当f=100kHz时，导线直径理论上可取φ0.4mm。但为了减小趋肤效应，实际可用更细的导线多股并绕，而不用一根粗导线绕制。8.减小高频变压器交流损耗的方法

高频变压器磁芯一般使用软磁材料，铁氧体材料是复合氧化物烧结体,和其它软磁磁芯材料一样,软磁铁氧体的优点是电阻率高、交流涡流损耗小,价格便宜,易加工成各种形状的磁芯,产生机械振动噪声的可能性较小。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。高频变压器产生电磁干扰的主要原因之一就是磁芯的磁致伸缩。它适合高频下使用,因此高频变压器一般采用铁氧体材料作为磁芯。10.铁氧体铁芯的性能1.制作开关电源的主要技术和耗费主要精力就是制作开关变压器。高频变压器属于磁性元件，在使用中不易完全掌握磁性元件的工作情况，在选用磁性元件时，不像电子元器件有现成品可供选择，所以大多数磁性元件在使用中需自行设计或提供参数委托磁性元件生产厂家设计加工。每种变压器在国家规定中都有各自的衡量标准，负载功率一定，对线圈、磁芯直径有相应要求。2.屏蔽是防止电磁干扰，增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播，在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施，只靠加外屏蔽带并不一定是最佳方案，因为它只能阻止辐射传播干扰，不能阻止传导传播干扰。

3.设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。4.在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。5.在强磁场力作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能出现磁共振，所以把磁芯变压器装在印制电路板上时要注意一定粘结牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。12.设计及使用中应注意的基本问题

在对高频变压器厂商提出设计要求时，应从以下方面考虑，这样才能确保出来的产品能为我们所用：1.安装空间尺寸、方式、环境、接线端子余量及孔径尺寸（夹件及接线端子尽量采用标准件）2.变压器的总视在功率Pt（注意不是DC/DC开关电源的额定功率，而是高频变压器的输出端子总视在功率）3.高频变压器的工作频率、效率、耐温范围、额定电压、4.次级绕组个数及各自与初级电压比5.磁通方向变化（双方向变化）具体性能应从以下方面来要求：可靠性好，温升不能太高（即散热性要好），具有良好的电磁兼容性，能长时间在最大负载情况下工作，成本较低。14.高频变压器的整体设计要求

1.我们当前要求的高频变压器的工作频率是55kHz（额定电压约为380V——需设计人员确定肯定），单从输入电源来说，我们目前还没有此电源设备。所以，单对高频变压器的测试检验在没有辅助设备的情况下就无从谈起。2.市场上有相应的设备进行检测扫描测试包括电感量，漏感量，圈数比，直流电阻，阻抗，线圈间容量等主参数。通过与标准件比对可以检验测试降低不合格率。3.但对待定型的高频变压器我们只有通过对DC/DC开关电源的整体测试来判断是否符合设计要求。如若不符，首先得确保高频变压器生产厂家的测试检验结果是否符合整体设计要求。4.由于我们不是制造高频变压器的厂家，也没有相应的多样、专业的检测设备，所以单纯的对高频变压器的测试是不现实的，只能借助相应检测设备降低次品概率，最终还是得通过对DC/DC开关电源的整体测试来判断是否符合使用。5.常规的220V/50Hz交流电可用来判断高频变压器的电压比，但不能说明其它问题；也可以进行粗略测试，具体方法:将调压器接至原线圈,用示波器观察副线圈输出电压波形,将原线圈的输入电压由小到大慢慢升高,直到示波器显示的波形发生奇变,此时磁芯已饱和,根据公式:U=4.44fN1Φm可推知Φm值，再通过与标准间进行粗略对比来判断。6.一旦高频变压器由生产厂家定型，在我们没有购置相应的来料检验设备情况下，直接使用，通过对DC/DC开关电源的整体检验来判别。当然，也可以事先通过常规交流电来判断高频变压器的电压比，初步决定是否可用。不过，一般情况下，高频变压器定型后在它的生产过程中，高频变压器的相应参数对设计厂商而言有了相应数据和经验，所以如果生产严格把关的话，很少会出现不合格品。15.高频变压器的检验测试

互感器：电流互感器和电压互感器的统称。将高电压变成低电压、大电流变成小电流，用于量测或保护系统。在我们的产品中，Ｌ２就是电流互感器，，用于过电流检测保护。现在谈一下我们使用的感性磁性元器件：１．Ｔ２、Ｔ４为常规小型变压器在选择使用过程中应结合外围电流来选型或设计。由于DC/DC开关电源属内部密闭结构，散热条件不太理想、环境温度比较高，所以建议其漆包线的电流密度应取2A/mm２(线径)。要设计出性价比较高的变压器，铁芯的截面积只能大不能小；适当减少每伏的匝数；详细分析负载情况；合理选用漆包线的规格。２．Ｌ１为双电感，作用在于滤除输入直流电内的交流成分。３．Ｌ３的选择也是根据外围电路来选择设计的，不过，线径相应放大一些是没有坏处