高頻變壓器的設(shè)計(jì)與制作

高頻變壓器的設(shè)計(jì)與制作

脈沖變壓器也可稱作開(kāi)關(guān)變壓器，或簡(jiǎn)單地稱作高頻變壓器。在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計(jì)中，由于磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化、高頻化和大功率化已成為一個(gè)永恒的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積、提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。

隨著應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，但制作開(kāi)關(guān)電源的主要技術(shù)和耗費(fèi)主要精力就是制作開(kāi)關(guān)變壓器的部件。

開(kāi)關(guān)變壓器與普通變壓器的區(qū)別大致有以下幾點(diǎn)：

(1)電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級(jí)繞組中電流都是非正弦波。

(2)變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十赫茲，甚至高達(dá)幾十萬(wàn)赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時(shí)必須考慮能滿足高頻工作的需要及鐵芯中有高次諧波的影響。

(3)繞組線路比較復(fù)雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級(jí)繞組的尺寸，增大了變壓器的體積和重量，而且使繞組在鐵芯窗口中的分布關(guān)系發(fā)生變化。

圖1 開(kāi)關(guān)電源原理圖

本文介紹了一款如圖1所示的DC—DC變換器，輸入電壓為直流24V，輸出電壓分別為5V及12V的多路直流輸出。要求各路輸出電流都在lA以上，核心器件是美國(guó)Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片UC3842，最高工作頻率可達(dá)200kHz。根據(jù)鋅錳鐵氧體合金的優(yōu)異電磁性能，通過(guò)具體示例介紹工作頻率為100kHz的高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。

2變壓器磁芯的選擇與工作點(diǎn)的確定

2．1 磁芯材料的選擇

從變壓器的性能指標(biāo)要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼已很難滿足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設(shè)計(jì)要求。磁芯的材料只有從坡莫合金、鐵氧體材料、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金幾種材料中來(lái)考慮。坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價(jià)格高，約為鐵氧體材料的數(shù)倍，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs也不是很高，且加工工藝復(fù)雜。考慮到我們所要求的電源輸出功率并不高，大約為30W，因此，綜合幾種材料的性能比較，我們還是選擇了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs較高，溫度穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，加工方便的性價(jià)比較低的鋅錳鐵氧體材料，并選以此材料作為框架的EI28來(lái)繞制本例中的脈沖變壓器。

2．2工作點(diǎn)的確定

根據(jù)相關(guān)資料，EC35輸出功率為50W，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大約在2000Gs左右。買來(lái)的磁芯，由于廠家提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度月，值并不準(zhǔn)確，可用圖2所提供的方式粗略測(cè)試一下。將調(diào)壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形。將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發(fā)生奇變。此時(shí)，磁芯已飽和，根據(jù)公式：

U＝4．44fN1Φ m可推知在工頻時(shí)的Φ m值。要求不高時(shí)，可根據(jù)測(cè)算出的Φ m，粗略估算出原線圈的匝數(shù)，

圖2 工作點(diǎn)測(cè)試示意圖

3 變壓器主要參數(shù)的計(jì)算

本例中的變換器采用單端反激式工作方式，單端反激變換器在小功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種：電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式。前者適用于較小功率，副邊二極管存在沒(méi)有反向恢復(fù)的問(wèn)題，但MOS管的峰值電流相對(duì)較大；后者M(jìn)OS管的峰值電流相對(duì)較小，但存在副邊二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇，本文采用了后者。

設(shè)計(jì)變壓器時(shí)大多需要考慮下面問(wèn)題：變換器頻率f(H2)；初級(jí)電壓U1(V)，次級(jí)電壓U2(V)；次級(jí)電流i2(A)；繞組線路參數(shù)n1、，n2；溫升τ(℃)；繞組相對(duì)電壓降u；環(huán)境溫度τHJ(℃)；絕緣材料密度γz(g／cm3)

1)根據(jù)變壓器的輸出功率選取鐵芯，所選取的鐵芯的戶，值應(yīng)等于或大于給定值。

2)繞組每伏匝數(shù)

ST是鐵芯的截面積；kT是窗口的填充系數(shù)；

3)初級(jí)繞組電勢(shì)

其中，j是電流密度。

詳細(xì)的變壓器設(shè)計(jì)方法與計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，本文參照經(jīng)驗(yàn)公式，依據(jù)下面的步驟設(shè)計(jì)了本例轉(zhuǎn)換器中的高頻變壓器。

3．1 確定變壓器的變比

根據(jù)輸出電壓U0的關(guān)系式

式中UD為整流器輸出的直流電壓。

本例中UD＝24V，f為100kHz，tON取0．5；n＝2。

3．2 計(jì)算初級(jí)線圈中的電流

已知輸出直流電壓U0＝±12V、5V，負(fù)載電流均為I0＝lA，則輸出功率

P0＝P1+P2+P3＝29W

開(kāi)關(guān)電源的效率η一般在60～90%之間，本例取η＝0．65，則輸入功率為

式中Ilp—初級(jí)線圈峰值電流，A；

L1—初級(jí)電感，H；

S—磁芯截面積，mm2；

Bm—磁芯最大磁通密度，T。

3．4 計(jì)算次級(jí)繞組圈數(shù)N2

即±12V分別繞5匝，5V繞3匝。

3．5 反饋繞組N3的估算

反饋繞組匝數(shù)的確定，要求既能保證開(kāi)關(guān)元件的飽和導(dǎo)通又不至于造成過(guò)大損耗。根據(jù)UC3842的要求，反饋繞組的輸出電壓應(yīng)在13V左右。因此，

3．6 導(dǎo)線線徑的選取

根據(jù)輸入輸出的估算，初線線圈的平均電流值應(yīng)該允許達(dá)到2A。

1)初級(jí)繞組

初級(jí)繞組的線徑可選d＝0．80mm，其截面積為0．5027mm2的圓銅線。

2)次級(jí)繞組

次級(jí)繞組的線徑可根據(jù)各組輸出電流的大小，利用原級(jí)相同線徑采用多股并繞的辦法解決。為了方便線圈繞制，也可選用線徑較粗的導(dǎo)線。由于工作頻率較高，應(yīng)考慮集膚效應(yīng)的影響。

3．7 線圈繞制與絕緣

繞制開(kāi)關(guān)變壓器最重要的問(wèn)題是想辦法使初、次級(jí)線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因?yàn)槁└羞^(guò)大，將會(huì)造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開(kāi)關(guān)管。因此，在繞制高頻變壓器線圈時(shí)，應(yīng)盡量使初、次級(jí)線圈之間的距離近些。

具體可采用以下方法：

(1)雙線并繞法

將初、次級(jí)線圈的漆包線合起來(lái)并繞，即所謂雙線并繞。這樣初、次級(jí)線間距離最小，可使漏感減小到最小值。但這種繞法不好繞制，同時(shí)兩線間的耐壓值較低。

(2)逐層間繞法

為克服并繞法耐壓低、繞制困難的缺點(diǎn)，用初、次級(jí)分層間繞法，即1、3、5行奇數(shù)層繞初級(jí)繞組，2、4、6等偶數(shù)層繞次級(jí)繞組。這種繞法仍可保持初、次級(jí)間的耦合，又可在初、次級(jí)間墊絕緣紙，以提高絕緣程度。

(3)夾層式繞法

把次級(jí)繞組繞在初級(jí)繞組的中間，初級(jí)分兩次繞。這種繞法只在初級(jí)繞組中多一個(gè)接頭，工藝簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)。

本例中，為減小分布參數(shù)的影響，初級(jí)采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu)，次級(jí)采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，即所謂堆疊繞法。降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣應(yīng)盡量選用抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙，提高初、次級(jí)之間的絕緣強(qiáng)度和抗電暈?zāi)芰?，本例中，因?yàn)椴簧婕?a target="_blank">高壓，絕緣問(wèn)題不必特殊考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

繞制脈沖變壓器是制作開(kāi)關(guān)電源的重要工作，也是設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中消耗大量時(shí)間和主要精力的工作。變壓器做得好，整個(gè)設(shè)計(jì)與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會(huì)出現(xiàn)停振、嘯叫或輸出電壓不穩(wěn)、負(fù)載能力不高等現(xiàn)象。在變壓器的溫升<35℃，繞制良好的脈沖變壓器的工作效率可達(dá)到90%以上，且波形質(zhì)量?jī)?yōu)異，電性能參數(shù)穩(wěn)定。在100kHz的使用條件下，脈沖變壓器的體積可以大大減小。繞制變壓器時(shí)，要盡最大的努力保證以下幾點(diǎn)：

(1)即使輸入電壓最大，主開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)，也不至于使變壓器的磁芯飽和；

(2)初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的耦合要好，漏電感要小；

(3)高頻開(kāi)關(guān)變壓器會(huì)因集膚效應(yīng)導(dǎo)致電線的電阻值增大，因而要減小電流密度。通常，工作時(shí)的最大磁通密度取決于次級(jí)線圈。

(4)一般來(lái)說(shuō)，采用鐵氧體磁芯E128時(shí)，要把Bm控制在3kGs以下。