30kHz高频开关电源变压器的设计.docx

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30kHz高频开关电源变压器的设计

30kHz高频开关电源变压器的设计

  2003-3-19  伟纳电子

Designof30kHzHigh－frequencySMPSTransformer

　　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：

1％～90％

　　输出效率η:

≥80％

　　耐压：

DC12kV

　　温升：

＋50℃

　　工作环境条件:

－55℃～＋85℃

2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。

表1

（1）钴基非晶态合金和超微晶合金的主要磁性能比较

　　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0.6～0.7T，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变压器主要参数的计算

3.1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（1＋1/η）

（1）

将Uo=2100V,Io=0.08A,η=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=（Pt·104/4BmfKWKJ）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。

3.3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DY－ON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UL94－P标准和国标GBm292－89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：

10×10×39×13.4（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。

3.4绕组计算

初级匝数：

D取50％，Ton=D/f=0.5/（30×103）=16.67μs,

忽略开关管压降，Up1=Ui/2=150V。

N1=Up1Ton10－2/2BmAc=（150×16.67）10－2

/（2×0.6×1×1×0.7）=29.77匝

取N1=30匝

次级匝数：

忽略整流管压降，Up2=Uo=2100V。

N2=Up2N1/Up1=（30×2100）/150=420匝

3.5导线线径

Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A

电流密度：

J=KjAp－0.1410－2=468×0.511－0.14

×10－2=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<35℃，工作效率达到90％以上，且波形质量优异，电性能参数稳定。

超微晶合金薄带是新型的软磁合金，电磁性能优异，价格低廉，环境适应能力强，在高频电磁元件领域具有广阔的应用前景，特别是在阵面雷达系统中的电源、激励变压器、电感等。

在100kHz的使用条件下，可以取代铁氧体、坡莫合金用作磁心材料。

参考文献

1电子变压器专委会，电子变压器手册，沈阳：

辽宁科技出版社，1998.10。

2中华人民共和国电子工业部，开关电源变压器计算方法，SJ/Z2921—88北京,1998。

作者简介

冯挹工程师，毕业于南京理工大学。

主要从事特种变压器、电感器等软磁器件的设计、制造应用技术的研究与开发。

变压器的基本知识

变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有所不同的要求。

变压器的功能主要有：

电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。

一、变压器的基本原理

当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。

在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。

为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。

如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。

当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。

如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。

变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。

二、变压器的损耗

当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为“涡流”。

这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。

由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”。

另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。

所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。

由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述，η=输出功率/输入功率。

三、变压器的材料

要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识，为此这里我就介绍一下这方面的知识。

1、铁心材料：

变压器使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，的钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。

我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000，

2、绕制变压器通常用的材料有

漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。

对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。

一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。

3、绝缘材料

在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离，绕阻间可用黄腊布作隔离。

4、浸渍材料：

变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料。

电工学名词解释

要学好电工技术必须要对在电工学上的一些物理量的概念有所理解，为此本人将一些常用的电工学名词汇总并作注解：

1、电阻率---又叫电阻系数或叫比电阻。

是衡量物质导电性能好坏的一个物理量，以字母ρ表示，单位为欧姆*毫米平方/米。

在数值 上等于用那种物质做的长1米截面积为1平方毫米的导线，在温度20C时的电阻值，电阻率越大，导电性能越低。

则物质的电阻率随温度而变化的物理量，其数值等于温度每升高1C时，电阻率的增加与原来的电阻电阻率的比值，通常以字母α表示，单位为1/C。

2、电阻的温度系数----表示物质的电阻率随温度而变化的物理量，其数值等于温度每升高1C时，电阻率的增加量与原来的电阻率的比值，通常以字母α表示，单位为1/C。

3、电导----物体传导电流的本领叫做电导。

在直流电路里，电导的数值就是电阻值的倒数，以字母ɡ表示，单位为欧姆。

4、电导率----又叫电导系数，也是衡量物质导电性能好坏的一个物理量。

大小在数值上是电阻率的倒数，以字母γ表示，单位为米/欧姆*毫米平方。

5、电动势----电路中因其他形式的能量转换为电能所引起的电位差，叫做电动势或者简称电势。

用字母E表示，单位为伏特。

6、自感----当闭合回路中的电流发生变化时，则由这电流所产生的穿过回路本身磁通也发生变化，因此在回路中也将感应电动势，这现象称为自感现象，这种感应电动势叫自感电动势。

7、互感----如果有两只线圈互相靠近，则其中第一只线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二只线圈相环链。

当第一线圈中电流发生变化时，则其与第二只线圈环链的磁通也发生变化，在第二只线圈中产生感应电动势。

这种现象叫做互感现象。

8、电感----自感与互感的统称。

9、感抗----交流电流过具有电感的电路时，电感有阻碍交流电流过的作用，这种作用叫做感抗，以Lx表示，Lx=2πfL.

10、容抗----交流电流过具有电容的电路时，电容有阻碍交流电流过的作用，这种作用叫做容抗，以Cx表示，Cx=1/12πfc。

11、脉动电流----大小随时间变化而方向不变的电流，叫做脉动电流。

12、振幅----交变电流在一个周期内出现的最大值叫振幅。

13、平均值----交变电流的平均值是指在某段时间内流过电路的总电荷与该段时间的比值。

正弦量的平均值通常指正半周内的平均值，它与振幅值的关系：

平均值=0.637*振幅值。

14、有效值----在两个相同的电阻器件中，分别通过直流电和交流电，如果经过同一时间，它们发出的热量相等，那么就把此直流电的大小作为此交流电的有效值。

正弦电流的有效值等于其最大值的0.707倍。

15、有功功率----又叫平均功率。

交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，以字母P表示，单位瓦特。

16、视在功率----在具有电阻和电抗的电路内，电压与电流的乘积叫做视在功率，用字母Ps来表示，单位为瓦特。

17、无功功率----在具有电感和电容的电路里，这些储能元件在半周期的时间里把电源能量变成磁场（或电场）的能量存起来，在另半周期的时间里对已存的磁场（或电场）能量送还给电源。

它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。

我们把与电源交换能量的速率的振幅值叫做无功功率。

用字母Q表示，单位为芝。

18、功率因数----在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。

但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。

有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COSφ表示。

19、相电压----三相输电线（火线）与中性线间的电压叫相电压。

20、线电压----三相输电线各线（火线）间的电压叫线电压，线电压的大小为相电压的1.73倍。

21、相量----在电工学中，用以表示正弦量大小和相位的矢量叫相量，也叫做向量。

22、磁通----磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积叫做磁通，以字母φ表示，单位为麦克斯韦。

23、磁通密度----单位面积上所通过的磁通大小叫磁通密度，以字母B表示，磁通密度和磁场感应强度在数值上是相等的。

24、磁阻----与电阻的含义相仿，磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用，以符号Rm表示，单位为1/亨。

25、导磁率----又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的一个系数，以字母μ表示，单位是亨/米。

26、磁滞----铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞。

27、磁滞回线----在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线如图1。

28、基本磁化曲线----铁磁体的磁滞回线的形状是与磁感应强度（或磁场强度）的最大值有关，在画磁滞回线时，如果对磁感应强度（或磁场强度）最大值取不同的数值，就得到一系列的磁滞回线，连接这些回线顶点的曲线叫基本磁化曲线。

29、磁滞损耗----放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗叫磁滞损耗。

30、击穿---绝缘物质在电场的作用下发生剧烈放电或导电的现象叫击穿。

31、介电常数---又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米。

32、电磁感应---当环链着某一导体的磁通发生变化时，导体内就出现电动势，这种现象叫电磁感应。

33、趋肤效应---又叫集肤效应，当高频电流通过导体时，电流将集中在导体表面流通，这种现象叫趋肤效应。

电源变压器简易设计

（一）

    电源变压器是低频变压器. 本文介绍的方法适合50Hz一千瓦以下普通交流变压器的设计.                                                           

（1） 电源变压器的铁心. 它一般采用硅钢片. 硅钢片越薄, 功率                    

损耗越小, 效果越好. 整个铁心是有许多硅钢片叠成的, 每片之间要                    

绝缘. 买来的硅钢片, 表面有一层不导电的氧化膜, 有足够的绝缘能                    

力. 国产小功率变压器常用标准铁心片规格见后续文章.                               

（2） 电源变压器的简易设计. 设计一个电源变压器, 主要是根据                    

电功率选择变压器铁心的截面积, 计算初次级各线圈的圈数等. 所谓                    

铁心截面积Ｓ是指硅钢片中间舌的标准尺寸ａ和叠加起来的总厚度ｂ                    

的乘积.                                                                         

    如果电源变压器的初级电压是U1, 次级有n个组, 各组电压分别是                   

U21, U22, ┅, U2n, 各组电流分别是I21, I22, ┅, I2n, ...计算步                   

骤如下:

    第一步, 计算次级的功率P2. 次级功率等于次级各组功率的和,                     

也就是                                                                          

        P2 = U21*I21 + U22*I22 + ┅ + U2n*I2n.                                  

    第二步, 计算变压器的功率P. 算出P2后. 考虑到变压器的效率是                   

η, 那么初级功率P1 = P2/η, η一般在0.8～0.9之间. 变压器的功率                  

等于初, 次级功率之和的一半, 也就是                                              

        P = （ P1 + P2 ） / 2                                                     

    第三步, 查铁心截面积Ｓ. 根据变压器功率, 由式（2.1）计算出铁                   

心截面积S, 并且从国产小功率变压器常用的标准铁心片规格表中选择                   

铁心片规格和叠厚.                                                               

    第四步, 确定每伏圈数N. 根据铁心截面积S和铁心的磁通密度B,                    

由式（2.2）得到初级线圈的每伏圈数N. 铁心的B值可以这样选取:

 质量                   

优良的硅钢片, 取11000高斯; 一般硅钢片, 取10000高斯; 铁片, 取                    

7000高斯. 考率到导线电阻的压降, 次级线圈每伏圈数N'应该比N增加                   

5%～10%, 也就是N'在1.05N～1.1N之间选取.                                         

    第五步, 初, 次级线圈的计算. 初级线圈N1 = N*U1. 次级线圈N21                  

= N'*U21, N22 = N'*U22, ┅, N2n = N'*U2n.                                       

    第六步, 查导线直径. 根据各线圈的电流大小和选定的电流密度,                   

由式（2.3）可以得到各组线圈的导线直径. 一般电源变压器的电流密度                   

可以选用3安/毫米?

    第七步, 校核. 根据计算结果, 算出线圈每层圈数和层数, 再算出                  

线圈的大小, 看看窗口是否放得下. 如果放不下, 可以加大一号铁心,                   

如果太空, 可以减小一号铁心. 采用国家标准GEI铁心, 而且舌宽ａ和                   

叠厚ｂ的比在1:

1～1:

1.7之间, 线圈是放得下的.

各参数的计算公式如下:

    ln（S） =