开关电源高频变压器的设计课件

变压器基础知识

1、变压器组成：

原边绕组（初级primaryside）

副边绕组（次级secondaryside）

原边电感（励磁电感）--magnetizing

inductance

漏感---leakageinductance

副边开路或者短路测量原边

电感分别得励磁电感和漏感

匝数比：K=Np/Ns=V1/V22、变压器的构成以及作用：

1）电气隔离

2）储能

3）变压

4）变流4/2/20231●高频变压器设计程序：1.磁芯材料2.磁芯结构3.磁芯参数4.线圈参数5.组装结构6.温升校核

4/2/202321.磁芯材料软磁铁氧体由于自身的特点在开关电源中应用很广泛。其优点是电阻率高、交流涡流损耗小，价格便宜，易加工成各种形状的磁芯。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。选择哪一类软磁铁氧体材料更能全面满足高频变压器的设计要求，进行认真考虑，才可以使设计出来的变压器达到比较理想的性能价格比。4/2/202334/2/202353.磁芯参数：磁芯参数设计中，要特别注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制，还要受损耗的限制，同时还与功率传送的工作方式有关。磁通单方向变化时：ΔB=Bs-Br，既受饱和磁通密度限制，又更主要是受损耗限制，（损耗引起温升，温升又会影响磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.6～0.7ΔB开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB，开气隙后，励磁电流有所增加，但是可以减小磁芯体积。对于磁通双向工作而言：最大的工作磁通密度Bm，ΔB=2Bm。在双方向变化工作模式时，还要注意由于各种原因造成励磁的正负变化的伏秒面积不相等，而出现直流偏磁问题。可以在磁芯中加一个小气隙，或者在电路设计时加隔直流电容。4/2/202364/2/202374.线圈参数：一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯，副绕组反馈绕组逐渐向外排列。下面推荐两种绕组排列形式：1）如果原绕组电压高（例如220V），副绕组电压低，可以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，原绕组在最外层的绕组排列形式，这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排；2）如果要增加原副绕组之间的耦合，可以采用一半原绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组，最外层再绕一半原绕组的排列形式，这样有利于减小漏感。4/2/202395.组装结构：高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组装结构。6.温升校核：温升校核可以通过计算和样品测试进行。实验温升低于允许温升15度以上，适当增加电流密度和减小导线截面，如果超过允许温升，适当减小电流密度和增加导线截面，如增加直径，窗口绕不下，要加大磁芯，增加磁芯的散热面积。4/2/202310功率变压器根据拓扑结构分为三大类：（1）反激式变压器；（2）正激式变压器；（3）推挽式变压器（全桥/半桥变换器中的变压器）磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：4/2/202311磁芯材料的选择应注意的问题：

1、软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点，而被广泛应用于开关电源中。

2、软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列，锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要应用在1MHz以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛。而镍锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。

3、在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用途不同，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心，其材料牌号多为R4K～R10K，即相对磁导率为4000～10000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T（即5000GS）左右。

4/2/202313开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求：

（1）具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br

磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定影响。从理论上讲，Bs高，变压器绕组匝数可以减小，铜损也随之减小

在实际应用中，开关电源高频变换器的电路形式很多，对于变压器而言，其工作形式可分为两大类：1）双极性：电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小相等，方向相反，因此对于变压器磁心里的磁通变化，也是对称的上下移动，B的最大变化范围为△B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。

2）单极性：电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个周期内加上1个单向的方波脉冲电压（单端反激式如此）。变压器磁心单向励磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之间变化，这时的△B=Bm－Br，若减小Br，增大饱和磁通密度Bs，可以提高△B，降低匝数，减小铜耗。4/2/202314

变压器或者电感根据在拓扑结构中的工作方式分为三大类：1、直流滤波电感工作状态，电感磁芯只工作在一个象限。属于这类工作状态的电感有Boost电感、Buck电感、Buck/boost电感、正激以及所有推挽拓扑变换器输出滤波电感、单端反激变换器变压器；2、正激变换器中的变压器，磁芯也只工作在一个象限，但变压器要进行磁复位。3、推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化，属于这类的变换器有推挽变换器、半桥和全桥变换器、交流滤波电感等。4/2/202315（3）适中的磁导率

相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。对于高于这一频段的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。

（4）较高的居里温度

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80℃，这是因为在100℃以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70％。因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者，当高于100℃时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。对于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110℃，居里温度高达240℃，满足高温使用要求。4/2/202317●变压器的设计原则及方法设计变压器主要有很两种方法：面积积AP法AP：磁芯截面积Ae与线圈有效窗口面积Aw的乘积。

PT-变压器的计算功率Ae-磁芯有效截面积Aw-磁芯窗口面积Ko-磁芯窗口利用系数，典型值为0.4Kf-波形系数，方波为4，正弦波为4.44Bw-磁芯的工作磁感强度Fs-开关工作频率Kj-电流密度系数，取395A/cm2X-磁芯结构系数，P107表3-84/2/202318按照功率变压器的设计方法，用面积积AP法设计变压器的一般步骤：1.选择磁芯材料，计算变压器的视在功率；2.确定磁芯截面尺寸AP，根据AP值选择磁芯尺寸；3.计算原副边电感量及匝数；4.计算空气隙的长度；5.根据电流密度和原副边有效值电流求线径；6.求铜损和铁损是否满足要求（比如：允许损耗和温升）4/2/2023192.计算AP（用Excel表格来计算AP值）变压器视在功率PT：对于反激拓扑来说，式中：J电流密度，通常取395A/cm2;Ku是铜窗有效使用系数，根据安规要求和输出路数决定，一般取0.2～0.4。在此计算取0.44/2/202321根据上图，选择大于计算AP值的磁芯EE3528，相关参数是：Ae:84.8mm2AP：1.3398cm4Wa：158mm2AL：2600nH/H24/2/202322反为了适应突变的负载电流，把电源设计在临界模式：临界电流I0B=0.8×I0=2.4A3.计算原、副边电感量及匝数4/2/202323为了避免磁芯饱和，在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：5.原、副边及辅助绕组的线径有两种方法：1、求裸线面积；2、求导线直径（J电流密度取4A/mm2)用两根直径为0.18mm线并绕，或者用AWG#28单股线

可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数4/2/202325次级线径：用4根直径为0.25mm（AWG#3