高频变压器的设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,高频变压器的设计,2026/10/1,2,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,2026/10/1,3,1.,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。,2026/10/1,4,2.,磁芯结构,选择磁芯结构时考虑的因数有：降低漏磁和漏感，,增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配,接线方便等。,漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不需,要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。,2026/10/1,5,2026/10/1,6,3.,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：,B=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,B,开气隙可以降低,Br,以增大磁通密度变化值,B,，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,，,B=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。,2026/10/1,7,2026/10/1,8,4.,线圈参数：,线圈参数包括：匝数，导线截面（直径），导线形式，,绕组排列和绝缘安排。,导线截面（直径）决定于绕组的电流密度。通常取,J,为,4A/mm,2,。导线直径的选择还要考虑趋肤效应。如必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。,2026/10/1,9,4.,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。,2026/10/1,10,5.,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。,2026/10/1,11,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：,2026/10/1,12,磁芯结构,变换器电路类型,反激式,正激式,推挽式,E cores,+,+,0,Planar E Cores,-,+,0,EFD Cores,-,+,+,ETD Cores,0,+,+,ER Cores,0,+,+,U Cores,+,0,0,RM Cores,0,+,0,EP Cores,-,+,0,P Cores,-,+,0,Ring Cores,-,+,+,+,=,适合；,0,=,一般；,-,=,不适合,2026/10/1,13,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,（即,5000GS,）左右。,2026/10/1,14,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。,2026/10/1,15,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。,2026/10/1,16,（2）在高频下具有较低的功率损耗 铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发热，波形畸变等不良后果。变压器的发热问题，在实际应用中极为普遍，它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的。如果在设计变压器时，Bm选择过低，绕组匝数过多，就会导致绕组发热，并同时向磁心传输热量，使磁心发热。反之，若磁心发热为主体，也会导致绕组发热。选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。这是因为，假如磁心损耗为发热主体，使变压器温度上升，而温度上升又导致磁心损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点，TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。,2026/10/1,17,（,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。,2026/10/1,18,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,Kf-,波形系数，方波为,4,，正弦波为,Bw-,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/cm,2,X-,磁芯结构系数，,P107,表,3-8,2026/10/1,19,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）,2026/10/1,20,选择磁芯材料，确定变压器的视在功率,P,T,；,考虑成本因数在此选择,PC40,材质，查,PC40,资料得,B,s,=0.39T B,r,=0.06T,为了防止磁芯的瞬间出现饱和，预留一定裕量，取,Bm=,B,max,*0.6=0.198T,取,电源的基本参数如右：,选择反激拓扑。,2026/10/1,21,2.,计算,AP,（用,Excel,表格来计算,AP,值）,变压器视在功率,P,T,：对于反激拓扑来说，,式中：,J,电流密度，通常取,395A/cm,2,;,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。在此计算取,2026/10/1,22,根据上图，选择大于计算,AP,值的磁芯,EE3528,，相关参数是：,2,AP,：,4,Wa,：,158mm,2,AL,：,2600nH/H,2,2026/10/1,23,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,I,0B,=0.8I,0,=2.4A,3.,计算原、副边电感量及匝数,2026/10/1,24,原、副边峰值电流,原、副边及辅助绕组的匝数,2026/10/1,25,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/mm,2,),用两根直径为线并绕，或者用,AWG#28,单股线,可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数,2026/10/1,26,次级线径：,用,4,根直径为（,AWG#31,）的线并绕。,电流趋肤深度的计算,多股线并绕时的线径必须小于或等于,dwH,，单线绕制时，线径如果超过,dWH,值就要考虑采用多股线并绕。,d)计算单位面积损耗值=Ploss/As,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：,功率变压器根据拓扑结构分为三大类：,用两根直径为线并绕，或者用AWG#28单股线,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。,因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点，TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。,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=BmBr，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。,其中，MLT为磁芯的平均匝长,用两根直径为线并绕，或者用AWG#28单股线,（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。,Bm=Bmax*0.,b)计算在效率下允许的总损耗Ploss和允许铁损耗,磁芯参数,变压器的设计原则及方法,进行认真考虑，才可以使设计出来的变压器达到比较理,要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。,计算AP （用Excel表格来计算AP值）,功率变压器根据拓扑结构分为三大类：,如必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。,多股线并绕时的线径必须小于或等于dwH，单线绕制时，线径如果超过dWH值就要考虑采用多股线并绕。,Kf-波形系数，方波为4，正弦波为,磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：,多股线并绕时的线径必须小于或等于dwH，单线绕制时，线径如果超过dWH值就要考虑采用多股线并绕。,Wa：158mm2 AL：2600nH/H2,用4根直径为（AWG#31）的线并绕。,用两根直径为线并绕，或者用AWG#28单股线,-=不适合,因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点，TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。,变压器视在功率PT：对于反激拓扑来说，,考虑成本因数在此选择PC40材质，查PC40资料得,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。,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；,2026/10/1,27,6.,计算铜损,P,cu,和铁损,P,fe,（变压器总损耗,P,loss,),a),原边和副边绕组损耗。其中，,MLT,为磁芯的平均匝长,2026/10/1,28,b),计算在效率,下允许的总损耗,Ploss,和允许铁损耗,c),根据铁芯损耗曲线求工作下实际发生的损耗：,单位重量铁损：,实际发生的铁损：,实际发生的铁损应该小于允许铁损耗。,2026/10/1,29,d),计算单位面积损耗值,=P,loss,/As,若,值引起的温升小于,25,度，设计通过。,7.,计算,B,w,工作磁通密度,Bw,应该在设计指标要求之内，,BwBs-Br,以避免磁芯出现饱和,