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1、2019/6/6,1,变压器基础知识 1、变压器组成： 原边（初级primary side ） 绕组 副边绕组（次级secondary side ） 原边电感（励磁电感）-magnetizing inductance 漏感-leakage inductance 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/V2 2、变压器的构成以及作用： 1）电气隔离 2）储能 3）变压 4）变流,2019/6/6,2,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,2019/6/6,3,1.磁芯材料 软磁铁氧体由于
2、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。,2019/6/6,4,2.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。,2019/6/6,5,2019/6/6,6,3.磁芯参
3、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Bm=0.60.7B 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。,2019/6/6,
4、7,2019/6/6,8,4.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2.54A/mm2。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。,2019/6/6,9,4.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
5、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。,2019/6/6,10,5.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。,2019/6/6,11,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
6、中的变压器） 磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：,2019/6/6,12,+=适合； 0=一般；-=不适合,2019/6/6,13,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
7、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R4KR10K，即相对磁导率为400010000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。,2019/6/6,14,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
8、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=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。,2019/6/6,15,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
9、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。,2019/6/6,16,（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
10、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，日本TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。,2019/6/6,17,（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
11、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。,2019/6/6,18,变压器的设
12、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0.4 Kf-波形系数，方波为4，正弦波为4.44 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/cm2 X-磁芯结构系数，P107表3-8,2019/6/6,19,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
13、. 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）,2019/6/6,20,选择磁芯材料，确定变压器的视在功率PT； 考虑成本因数在此选择PC40材质，查PC40资料得 Bs=0.39T Br=0.06T,为了防止磁芯的瞬间出现饱和，预留一定裕量，取 Bm= Bmax*0.6=0.198T 取0.2T,电源的基本参数如右： 选择反激拓扑。,2019/6/6,21,2. 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，
14、根据安规要求和输出路数决定，一般取0.20.4。在此计算取0.4,2019/6/6,22,根据上图，选择大于计算AP值的磁芯EE3528，相关参数是： Ae:84.8mm2 AP：1.3398cm4 Wa：158mm2 AL：2600nH/H2,2019/6/6,23,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I0B=0.8I0=2.4A,3. 计算原、副边电感量及匝数,2019/6/6,24,原、副边峰值电流,原、副边及辅助绕组的匝数,2019/6/6,25,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；
15、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,2019/6/6,26,次级线径：,用4根直径为0.25mm（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。,2019/6/6,27,6. 计算铜损Pcu和铁损Pfe（变压器总损耗Ploss) a)原边和副边绕组损耗。其中，MLT为磁芯的平均匝长,2019/6/6,28,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。,2019/6/6,29,d)计算单位面积损耗值=Ploss/As 若值引起的温升小于25度，设计通过。,7. 计算Bw,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,