开关电源高频变压器的设计

变压器基础知识 1、变压器组成： 、变压器组成： 原边(初级primary side ) 绕组 原边(初级 副边绕组(次级secondary side ) 副边绕组(次级 原边电感(励磁电感) 原边电感(励磁电感)--magnetizing inductance 漏感---leakage inductance 漏感 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： 匝数比：K=Np/Ns=V1/V2 2、变压器的构成以及作用： 、变压器的构成以及作用： 1)电气隔离 ) 2)储能 ) 3)变压 ) 4)变流 )2012-4-28 1

高频变压器设计程序： ●高频变压器设计程序： 1.磁芯材料 1.磁芯材料 2.磁芯结构 2.磁芯结构 3.磁芯参数 3.磁芯参数 4.线圈参数 4.线圈参数 5.组装结构 5.组装结构 6.温升校核 6.温升校核

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1.磁芯材料 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。 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， 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， 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。 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， 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， 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。 想的性能价格比。

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2.磁芯结构 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， 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， 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。 接线方便等。 漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。 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。 要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。

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3.磁芯参数： 3.磁芯参数： 磁芯参数

磁芯参数设计中， 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， 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, 作方式有关。 磁通单方向变化时：ΔB=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， 密度限制，又更主要是受损耗限制，(损耗引起温升，温升又 ，(损耗引起温升 会影响磁通密度)。工作磁通密度Bm=

0.6~0.7 会影响磁通密度)。工作磁通密度Bm=0.6~0.7 B )。工作磁通密度Bm=0.6 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值Δ 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB,开气隙后，励 Br,以增大磁通密度变化值 开气隙后， 磁电流有所增加，但是可以减小磁芯体积。 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 Bm, 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， 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， 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。 或者在电路设计时加隔直流电容。2012-4-28 6

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4.线圈参数： 4.线圈参数： 线圈参数 线圈参数包括：匝数，导线截面(直径),导线形式， 线圈参数包括：匝数，导线截面(直径),导线形式， ),导线形式 绕组排列和绝缘安排。 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 导线截面(直径)决定于绕组的电流密度。通常取J为 2.5~4A/mm2。导线直径的选择还要考虑趋肤效应。如 导线直径的选择还要考虑趋肤效应。 2.5~ 必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。 必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。

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4.线圈参数： 4.线圈参数： 线圈参数 一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯， 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： 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 如果原绕组电压高(例如220V),副绕组电压低， 220V),副绕组电压低 以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组， 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 最外层的绕组排列形式， 绝缘安排； 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 如果要增加原副绕组之间的耦合， 组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组， 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。 一半原绕组的排列形式，这样有利于减小漏感。2012-4-28 9

5.组装结构： 5.组装结构： 组装结构 高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。 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， 选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组 装结构。 装结构。 6.温升校核： 6.温升校核： 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 温升校核可以通过计算和样品测试进行。 于允许温升15度以上， 于允许温升15度以上，适当增加电流密度和减小导线 15度以上 截面，如果超过允许温升， 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， 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。 增加磁芯的散热面积。2012-4-28 10

功率变压器根据拓扑结构分为三大类： 功率变压器根据拓扑结构分为三大类： (1)反激式变压器； 反激式变压器； (2)正激式变压器； 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) 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： 磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：

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磁芯结构 E coresPlanar E Cores

EFD Cores ETD Cores ER Cores U Cores RM Cores EP Cores P Cores Ring Cores2012-4-28

变换器电路类型 反激式 正激式 推挽式 + + 0 + 0 + + 0 + + 0 + + + 0 0 0 + 0 + 0 + 0 + +12

‘+’=适合； ‘0’=一般；‘-’=不适合 + =适合； =一般； =

磁芯材料的选择应注意的问题： 磁芯材料的选择应注意的问题： 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， 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。 而被广泛应用于开关电源中。 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， 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 Fe2O3, 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。 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 Fe2O3, 1MHz以上的各种调感 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。 绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。 在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心， 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。 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, R4K~ 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、 左右的铁氧体磁心， 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， Bs为0.5T( 5000GS)左右。 高饱和磁通密度的磁性材料 多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T(即5000GS)左右。

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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 具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br 具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度 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： 双极性： 1)双极性：电路为半桥、全桥、推挽等 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 △B=2Bm 的直流分量基本抵消。 单极性： 2)单极性：电路为单端正激、单端反激等 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。2012-4-28 14

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： 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。 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、 类工作状态的电感有Boost电感、Buck电感、Buck/boost电感、 Boost电感 电感 电感 正激以及所有推挽拓扑变换器输出滤波电感、 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 输出滤波电感 变压器； 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， 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。 但变压器要进行磁复位。 推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化， 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、 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。

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(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， 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 波形畸变等不良后果。 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 磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是 氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数 磁性材料本身功率损耗负温度系数 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。

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(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 已跌至常温时的 %。因 已跌至常温时的70% 在 ℃以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的 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。

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●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 设计变压器主要有很两种方法：面积积AP法 AP 积Ae与线圈有效窗口面积Aw的乘积。 Ae与线圈有效窗口面积Aw的乘积。 与线圈有效窗口面积Aw的乘积

AP: AP:磁芯截面

PTPT-变压器的计算功率 AeAe-磁芯有效截面积 Aw-磁芯窗口面积 AwKo-磁芯窗口利用系数，典型值为0.4 Ko-磁芯窗口利用系数，典型值为0.4 Kf-波形系数，方波为 ，正弦波为4.44 Kf-波形系数，方波为4,正弦波为 BwBw-磁芯的工作磁感强度 FsFs-开关工作频率 Kj-电流密度系数， Kj-电流密度系数，取395A/cm2 X-磁芯结构系数，

P107表3-8 磁芯结构系数，P107表2012-4-28 18

按照功率变压器的设计方法，用面积积 法 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： 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； 选择磁芯材料， 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 ，根据 值选择磁芯 确定磁芯截面尺寸AP,根据AP值选择磁芯 尺寸； 尺寸； 3. 计算原副边电感量及匝数； 计算原副边电感量及匝数； 4. 计算空气隙的长度； 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； 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 求铜损和铁损是否满足要求(比如： 损耗和温升) 损耗和温升)

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电源的基本参数如右： 电源的基本参数如右： 选择反激拓扑。 选择反激拓扑。

选择磁芯材料，确定变压器的视在功率P 1. 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， PC40资料得 考虑成本因数在此选择PC40材质，查PC40资料得 PC40材质 Bs=0.39T Br=0.06T Bmax = Bs Br = 0.39T 0.06T = 0.33T

为了防止磁芯的瞬间出现饱和，预留一定裕量， 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

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变压器视在功率P 对于反激拓扑来说， 变压器视在功率PT:对于反激拓扑来说，(21 + 1) *3 PT = Pin + Pout = + Pout = + (21 + 1) *3 = 148.5W η 0.8 Pout

计算AP 2. 计算AP

(用Excel表格来计算AP值) Excel表格来计算AP值 表格来计算AP

式中： 式中：

PT *104 4 AP = = 0.783cm Bm * f s *1000* J * K u

J电流密度，通常取395A/cm2; 电流密度，通常取395A/cm Ku是铜窗有效使用系数，根据安规要求和输出路数决定， 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 是铜窗有效使用系数 取0.2~0.4。在此计算取0.4 0.2~0.4。在此计算取0.4

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