开关电源高频变压器的设计(1)
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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。 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 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以上的各种调感 绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。 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。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，即相对磁导率为 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，其Bs为0.5T（即5000GS）左右。
变压器基础知识 1、变压器组成： 原边（初级primary side ） 绕组 副边绕组（次级secondary side ） 原边电感（励磁电感）--magnetizing
inductance 漏感---leakage inductance 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：K=Np/Ns=V1/V2
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4.线圈参数： 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：
1）如果原绕组电压高（例如220V），副绕组电压低，可 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 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 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。
1）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 的直流分量基本抵消。
2）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。
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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，
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。
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。
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3.磁芯参数： 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，同时还与功率传送的工 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，温升又 会影响磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.6～0.7ΔB 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB，开气隙后，励 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，ΔB=2Bm。在双方向变化工作 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， 或者在电路设计时加隔直流电容。
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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 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：
+
+
0
Planar E Cores
-
+
0
EFD Cores
-
+
+
ETD Cores
0
+Fra Baidu bibliotek
+
ER Cores
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U Cores
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RM Cores
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EP Cores
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P Cores
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Ring Cores
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+
‘+’=适合； ‘0’=一般；‘-’=不
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磁芯材料的选择应注意的问题：
增加磁芯的散热面积。
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功率变压器根据拓扑结构分为三大类： （1）反激式变压器； （2）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） 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
变换器电路类型
反激式 正激式
推挽式
E cores
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4.线圈参数： 线圈参数包括：匝数，导线截面（直径），导线形式， 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为
2.5～4A/mm2。导线直径的选择还要考虑趋肤效应。如 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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5.组装结构：
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，都采用卧式组
装结构。
6.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
于允许温升15度以上，适当增加电流密度和减小导线
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，
2、变压器的构成以及作用： 1）电气隔离 2）储能 3）变压 4）变流
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●高频变压器设计程序： 1.磁芯材料 2.磁芯结构 3.磁芯参数 4.线圈参数 5.组装结构 6.温升校核
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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。
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，磁导率 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， 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。
变压器基础知识 1、变压器组成： 原边（初级primary side ） 绕组 副边绕组（次级secondary side ） 原边电感（励磁电感）--magnetizing
inductance 漏感---leakage inductance 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：K=Np/Ns=V1/V2
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4.线圈参数： 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：
1）如果原绕组电压高（例如220V），副绕组电压低，可 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 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 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。
1）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 的直流分量基本抵消。
2）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。
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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，
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。
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。
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3.磁芯参数： 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，同时还与功率传送的工 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，温升又 会影响磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.6～0.7ΔB 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB，开气隙后，励 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，ΔB=2Bm。在双方向变化工作 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， 或者在电路设计时加隔直流电容。
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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 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：
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Planar E Cores
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EFD Cores
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ETD Cores
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+Fra Baidu bibliotek
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‘+’=适合； ‘0’=一般；‘-’=不
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磁芯材料的选择应注意的问题：
增加磁芯的散热面积。
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功率变压器根据拓扑结构分为三大类： （1）反激式变压器； （2）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） 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
变换器电路类型
反激式 正激式
推挽式
E cores
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4.线圈参数： 线圈参数包括：匝数，导线截面（直径），导线形式， 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为
2.5～4A/mm2。导线直径的选择还要考虑趋肤效应。如 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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5.组装结构：
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，都采用卧式组
装结构。
6.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
于允许温升15度以上，适当增加电流密度和减小导线
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，
2、变压器的构成以及作用： 1）电气隔离 2）储能 3）变压 4）变流
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●高频变压器设计程序： 1.磁芯材料 2.磁芯结构 3.磁芯参数 4.线圈参数 5.组装结构 6.温升校核
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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。
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，磁导率 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， 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。