高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則，要求和程序

降低成本是促進(jìn)高頻電源變壓器技術(shù)發(fā)展的一種推動(dòng)力。為什么輕、薄、短、小成為高頻電源變壓器的發(fā)展方向？原因之一是這樣既能降低材料成本，又能降低制造成本。提高工作頻率，可以使高頻電源變壓器的重量和體積下降。但是，要克服高頻帶來的負(fù)面影響，必須采用新的軟磁材料和導(dǎo)電材料并增加抑制高頻電磁干擾的措施，因此，對(duì)具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟選用多高的工作頻率？要在綜合考慮性能和總體成本后決定。提高效率，降低損耗發(fā)生的熱量，可以減少高頻電源變壓器散熱的表面積，從而使體積和重量下降。但是，降低損耗必須采用新材料和新工藝。因此，對(duì)具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟達(dá)到多高的效率？也要在綜合考慮性能和總體成本后決定。

4 高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)程序

高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)程序，包括磁芯材料，磁芯結(jié)構(gòu)，磁芯參數(shù)，線圈參數(shù)，組裝結(jié)構(gòu)和溫升校核等內(nèi)容。下面分別進(jìn)行討論。

4.1 磁芯材料

根據(jù)高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求，選擇軟磁材料本來應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)程序的第一項(xiàng)。但是，現(xiàn)在一般都認(rèn)為高頻電源變壓器應(yīng)當(dāng)選擇軟磁鐵氧體，是自然而然的事情。許多有關(guān)高頻電源變壓器的論文，專著和教材，只針對(duì)軟磁鐵氧體進(jìn)行討論，而對(duì)其他軟磁材料有時(shí)說明一下，有時(shí)只字不提。而且究竟選擇哪一類軟磁鐵氧體，也不加以說明，好象大家都知道。《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期中的兩篇文章就是一例。

和任何軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)格便宜，易加工成各種形狀的磁芯。缺點(diǎn)是工作磁通密度低，磁導(dǎo)率不高，磁致伸縮大，對(duì)溫度變化比較敏感。因此，有些高頻電源變壓器并不適合選擇軟磁鐵氧體。例如，工作頻率比較低（50kHz以下），功率比較大的高頻電源變壓器，如果選擇軟磁鐵氧體，由于工作磁通密度低，用材料多，磁芯體積大，加工困難，易碎，成品率不高，顯不出價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)。又例如，工作頻率高（500kHz以上），功率比較小的高頻電源變壓器，磁芯重量和體積本來都小，如果選擇軟磁鐵氧體，必須用PW4、PW5類材料，價(jià)格也不便宜，與其他軟磁材料相比，磁芯價(jià)格基本相當(dāng)，有時(shí)反而由于體積大，而處于不利地位。即使在適合于軟磁鐵氧體的工作頻率范圍內(nèi)，也要對(duì)選擇哪一類軟磁鐵氧體更能全面滿足高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行認(rèn)真考慮，才可以使設(shè)計(jì)出來的高頻電源變壓器達(dá)到比較理想的性能價(jià)格比。

4.2 磁芯結(jié)構(gòu)

高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中選擇磁芯結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的因素有：降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配接線方便等。

漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。如果磁芯不需要?dú)庀叮瑒t盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯，特別是工作頻率高的電源變壓器，因?yàn)?，有一點(diǎn)漏感，就容易產(chǎn)生比較大的漏阻抗。封閉磁芯的磁通基本上集中在磁芯里面，漏磁小。同時(shí)，不論外界干擾磁場(chǎng)從哪個(gè)方向侵入，都在磁芯中分為兩個(gè)方向通過，產(chǎn)生的干擾互相抵消。但是，封閉磁芯繞線困難，且環(huán)形磁芯散熱要通過線圈，而且內(nèi)層引出線也要穿過線圈引出，故必須加強(qiáng)絕緣。不封閉磁芯繞線容易，磁芯散熱面大，可直接散熱，引出線也容易。建議裝線圈的磁路部分為圓柱形截面，減少平均匝長(zhǎng)，降低損耗。矮胖圓柱形磁芯的漏磁和漏感比瘦高圓柱形磁芯大，一個(gè)原因是胖，圓柱形大，漏磁輻射面大；另一個(gè)原因是矮，上下兩磁軛距離近，容易形成漏磁通的路徑。不封閉磁芯中的氣隙大小和位置與漏磁和漏感有密切關(guān)系。在保證完成功能所需的氣隙條件下，盡可能減少氣隙尺寸。因?yàn)?，氣隙尺寸增大，不但增加漏磁和漏感，還減少等值磁導(dǎo)率，增加激磁功率，對(duì)高頻電源變壓器工作不利。另外，氣隙的位置最好處于線圈的中間部位，可以起到減少氣隙漏磁通的作用。

窗口面積的大小與線圈發(fā)熱損耗和散熱面積有關(guān)。窗口面積大，繞的電磁線截面大，電阻小，損耗小，發(fā)熱小。同時(shí)，線圈外形尺寸大，散熱面積也大。“辨析”一文中提出窗口面積利用問題，不能采取完全肯定和完全否定的態(tài)度。一般在留足工藝需要的窗口面積以后，希望盡可能把窗口面積繞滿。如果不能充分利用窗口面積，將會(huì)造成磁芯尺寸和變壓器外形尺寸不必要的增大，有可能要增加材料成本。因此，在高頻電源變壓器磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來決定。“辨析”一文中關(guān)于填滿磁芯窗口主要是受工頻磁性元件設(shè)計(jì)的影響的理由并不成立。工頻變壓器的銅損比鐵損大，為了增加線圈散熱面積，磁芯與線圈之間留有足夠的氣隙，有時(shí)原繞組和副繞組之間也留有氣隙。而不是“強(qiáng)調(diào)鐵芯和繞組的整體性，因而不希望鐵芯與繞組中間有氣隙”。也不是“設(shè)計(jì)成繞組填滿整個(gè)窗口，從而保證其機(jī)械穩(wěn)定性”。線圈和磁芯既然不是一個(gè)整體，必須分別用夾件固緊，才能保證各自的機(jī)械穩(wěn)定性。同時(shí)，為了保證足夠的絕緣距離，線圈兩端和繞組之間都必須留有氣隙，不可能用繞組填滿整個(gè)窗口。

為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾，有些磁芯結(jié)構(gòu)在窗口外面有封閉和半封閉的外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好，但散熱和接線不方便，必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼，封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用，不封閉的地方用于接線和散熱。窗口完全開放，接線和散熱方便，屏蔽電磁干擾作用差。

4.3 磁芯參數(shù)

高頻電源變壓器磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中，要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān)。

對(duì)變壓器功率傳送方式的磁通單方向變化工作模式，ΔB=B_m－B_r，既受飽和磁通密度限制，又更主要地是受損耗限制。但是單方向變化的高頻電源變壓器工作時(shí)，沿局部磁滯回線來回變化，磁芯損耗比雙方向變化沿大的磁滯回線來回變化小，只有它的30％～40％。而材料測(cè)試時(shí)是按正弦波雙向激磁條件下變化的ΔB為2B_m進(jìn)行的。因此，B_m可以取材料測(cè)試損耗值時(shí)，選取的B值高一倍以上。B_r受材料磁滯回線上的B_r限制，可以用開氣隙的辦法來降低B_r，以增大磁通密度變化值ΔB。雖然開氣隙后，激磁電流有所增加，但增大ΔB后可以減少磁芯體積，還是值得的。對(duì)變壓器功率傳送方式磁通雙方向變化工作模式，ΔB=2B_m，工作的磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多，損耗也大得多，B_m主要受損耗限制，在雙方向變化工作模式中，還要注意由于各種原因造成激磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問題。可以在磁芯磁路中加一個(gè)小氣隙，或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容，或者采用電流型控制來解決。

對(duì)電感器功率傳送方式，磁導(dǎo)率是有氣隙后的等值磁導(dǎo)率，一般都比磁化曲線測(cè)出的磁導(dǎo)率小?？梢栽诖_定磁芯結(jié)構(gòu)后，直接測(cè)試它。“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的高頻電源變壓器采用電感器功率傳送方式。不知道為什么不提選用的磁導(dǎo)率，而提B_AC或者B_m？也不提B_AC或B_m與損耗的關(guān)系？

4.4 線圈參數(shù)

高頻電源變壓器設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面（直徑），導(dǎo)線形式，繞組排列和絕緣安排。

原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感（儲(chǔ)存能量）來決定，匝數(shù)不能過多，也不能過少。如果匝數(shù)過多，會(huì)增加漏感和繞線工時(shí)；如果匝數(shù)過少，在外加激磁電壓比較高時(shí)，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強(qiáng)絕緣。