高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則，要求和程序

摘要：從高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品（即商品）出發(fā)，說明了它的設(shè)計(jì)原則和要求，并介紹了它的設(shè)計(jì)程序。

關(guān)鍵詞：高頻電源變壓器；設(shè)計(jì)原則；設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)程序

1 前言

電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術(shù)中和電力電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)傳送功率的大小，電源變壓器可以分為幾檔：10kVA以上為大功率，10kVA～0.5kVA為中功率，0.5kVA～25VA為小功率，25VA以下為微功率。傳送功率不同，電源變壓器的設(shè)計(jì)也不一樣，應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。有人根據(jù)它的主要功能是功率傳送，把英文名稱“Power Transformers”譯成“功率變壓器”，在許多文獻(xiàn)資料中仍然在使用。究竟是叫“電源變壓器”，還是叫“功率變壓器”好呢？有待于科技術(shù)語方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)來選擇決定。

同一個(gè)英文名稱“Power Transformer”，還可譯成“電力變壓器”。電力變壓器主要用于電力輸配系統(tǒng)中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用，原邊電壓為6kV以上的高壓，功率最小5kVA，最大超過上萬kVA。電力變壓器和電源變壓器，雖然工作原理都是基于電磁感應(yīng)原理，但是電力變壓器既強(qiáng)調(diào)功率傳送大，又強(qiáng)調(diào)絕緣隔離電壓高，無論在磁芯線圈，還是絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別，更不能將電力變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)條件生搬硬套地應(yīng)用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設(shè)計(jì)方法不一樣，也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。

高頻電源變壓器是工作頻率超過中頻（10kHz）的電源變壓器，主要用于高頻開關(guān)電源中作高頻開關(guān)電源變壓器，也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機(jī)中作高頻逆變電源變壓器的。按工作頻率高低，可分為幾個(gè)檔次：10kHz～50kHz、50kHz～100kHz、100kHz～500kHz、500kHz～1MHz、1MHz以上。傳送功率比較大的，工作頻率比較低；傳送功率比較小的，工作頻率比較高。這樣，既有工作頻率的差別，又有傳送功率的差別，工作頻率不同檔次的電源變壓器設(shè)計(jì)方法不一樣，也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。

如上所述，作者對(duì)高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則、要求和程序不存在錯(cuò)誤概念，而是在2003年7月初，閱讀《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設(shè)計(jì)文章后，產(chǎn)生了疑慮，感到有些問題值得進(jìn)一步商討，因此才動(dòng)筆寫本文。正如《電源技術(shù)應(yīng)用》主編寄語所說的那樣：“具體地分析具體的情況”，寫的目的，是嘗試把最難詳細(xì)說明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)問題弄清楚。如有說得不對(duì)的地方，敬請(qǐng)幾位作者和廣大讀者指正。

2 高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則

高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品，自然帶有商品的屬性，因此高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則和其他商品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。有時(shí)可能偏重性能和效率，有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本。現(xiàn)在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強(qiáng)調(diào)降低成本。其中成為一大難點(diǎn)的高頻電源變壓器，更需要在這方面下功夫。所以在高頻電源變壓器的“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，只談性能，不談成本，不能不說是一大缺憾，如果能認(rèn)真考慮一下高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則，追求更好的性能價(jià)格比，傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本，市場(chǎng)的價(jià)值規(guī)律是無情的！許多性能好的產(chǎn)品，往往由于價(jià)格不能為市場(chǎng)接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產(chǎn)品最后被成本否決。一些“節(jié)能不節(jié)錢”的產(chǎn)品為什么在市場(chǎng)上推廣不開值得大家深思。

產(chǎn)品成本，不但包括材料成本，生產(chǎn)成本，還包括研發(fā)成本，設(shè)計(jì)成本。因此，為了節(jié)約時(shí)間，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數(shù)據(jù)，對(duì)窗口填充程度，繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案，有什么不好？為什么一定要按步就班地來回進(jìn)行推算和仿真，才不是概念錯(cuò)誤？作者曾在20世紀(jì)80年代中開發(fā)高頻磁放大器式開關(guān)電源，以溫升最低為條件，對(duì)高頻電源變壓器進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于熱阻難以確定，結(jié)果與試制樣品相差甚遠(yuǎn)，不得不再次修正。現(xiàn)在有些公司的磁芯產(chǎn)品說明書中，為了縮短用戶設(shè)計(jì)高頻電源變壓器的時(shí)間，有的列出簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)公式，有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想，又推廣公司產(chǎn)品的雙贏行為，是完全符合市場(chǎng)規(guī)律的行為，絕不是什么需要辨析的錯(cuò)誤概念。問題是提供的參考數(shù)據(jù)，推薦的方案是否是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)？有沒有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些說法，都需要經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，才能站得住腳。

總之，千萬記住：高頻電源變壓器是一種產(chǎn)品（即商品），設(shè)計(jì)原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗(yàn)。

3 高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求

以設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn)，可以對(duì)高頻電源變壓器提出4項(xiàng)設(shè)計(jì)要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。

3.1 使用條件

使用條件包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，必須注意電磁兼容性。

可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對(duì)高頻電源變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。有些軟磁材料，居里點(diǎn)比較低，對(duì)溫度敏感。例如：錳鋅軟磁鐵氧體，居里點(diǎn)只有215℃，其磁通密度，磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，故除正常溫度25℃外，還要給出60℃，80℃，100℃時(shí)的各種參考數(shù)據(jù)。因此，將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下，也就是環(huán)境溫度為40℃時(shí)，溫升只允許低于60℃，相當(dāng)于A級(jí)絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件，一般都采用E級(jí)和B級(jí)絕緣材料，采用H級(jí)絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因?yàn)镠級(jí)絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?如果是，請(qǐng)舉具體實(shí)例數(shù)據(jù)。作者曾開發(fā)H級(jí)絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器，與B級(jí)絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器相比，體積減小15％到20％，已經(jīng)相當(dāng)可觀了。本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器，如次級(jí)繞組采用三重絕緣線，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗(yàn)。請(qǐng)有關(guān)作者詳細(xì)介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以便廣大讀者學(xué)習(xí)。

電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對(duì)外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料，產(chǎn)生的電磁干擾大。例如，錳鋅軟磁鐵氧體，磁致伸縮系數(shù)λ_S為21×10^－6，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導(dǎo)坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶納米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產(chǎn)生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導(dǎo)線之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此，工作頻率為100kHz左右的高頻電源變壓器，沒有特殊原因是不會(huì)產(chǎn)生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz～20kHz，一定有其原因。由于沒有畫出噪聲頻譜圖，具體原因說不清楚，但是由高頻電源變壓器本身產(chǎn)生的可能性不大，沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。至于采用這種粘合工藝可將音頻噪聲降低5dB，請(qǐng)給出實(shí)例與數(shù)據(jù)以及對(duì)噪聲原因的詳細(xì)說明，才會(huì)令人可信。

屏蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播，在設(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因?yàn)樗荒茏柚馆椛涓蓴_，不能阻止傳導(dǎo)干擾。