功率变压器设计
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(2) 磁芯涡流损耗实际上即磁芯材料的电阻损耗－I2R。涡流大小正比于磁通变化率，即与变压
器伏/匝成正比。因此，如Ui加大一倍，涡流增加一倍，峰值损耗I2R增加4倍；如保持输出稳定，占 空度下降一半，则平均损耗I2R增加一倍。可见磁芯涡流损耗正比于Ui，最坏情况是最高电压。磁芯 涡流损耗还与磁芯结构有关，如果磁芯由相互绝缘的叠片或几块较小的截面组成，涡流比整体小。
② 激磁电感（互感）能量表示有限磁导率的磁芯中和两半磁芯结合处气隙存储的能量。在等 效电路中，激磁电感与理想变压器初级线圈（负载）并联。存储的能量与加到线圈上每匝 伏特有关，与负载电流无关。
漏感阻止开关和整流器电流的瞬态变化，随着负载电流的增加而加剧，使得输出的外特性变软。 在多路输出只调节一路输出时，因存在初级漏感，其它开环输出的稳压性能变差。互感和漏感能量 在开关转换瞬时引起电压尖峰，是EMI的主要来源。为防止电压尖峰造成功率开关与整流器的损坏， 电路中采用缓冲或箝位电路抑制电压尖峰。缓冲和箝位电路虽然能抑制尖峰电压，为了可靠，还需 选择高电压定额的器件；如果缓冲和箝位电路损耗过大，还必须应用更复杂的无损缓冲电路回收能 量。即使这样，缓冲电路中元件不是无损的，环流损失相当多的能量。总之，漏感和激磁电感降低 变换器的效率。因此，通常在设计变压器时，应尽量减少变压器的漏感，详细参看第六章。
变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗，很难精确预计。磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。线 圈损耗包括直流损耗和高频损耗。引起变压器温升主要是稳态损耗，而不是瞬态损耗。
1.磁芯损耗
(1) 磁芯磁滞损耗与频率和磁通摆幅有关。在所有Ⅱ类和Ⅲ类磁芯工作状态（正激和推挽类拓扑）
中，Uo=DUi/n（n=N1/N2－变压器变比）。当工作频率固定，伏秒积即磁通变化量是常数，所以磁滞 损耗是常数，与Ui和负载电流无关。
在200～300kHz以下，磁滞损耗为主。在更高频率时，因为涡流损耗随频率平方（相同磁通摆 幅和波形）上升，超过磁滞损耗。在200～300kHz以下，由于线圈损耗高，变压器最坏情况是低电压 和满载。一旦磁芯的涡流损耗变得明显时，特别在高Ui时，涡流损耗将随频率迅速增加。在第四章 手册中材料损耗曲线（例如图4-20）是正弦波激励下试样取得的，没有给出高压脉冲，小占空度的 损耗曲线。在低Ui时，电流增大，要求导线截面增大，邻近效应严重，线圈损耗也随频率上升。为 了维持合理的Rac/Rdc(FR=1.5)，必须采用扭绕的多股细导线或利兹线。多股线的绝缘和线圈间空隙减 少了窗口充填系数。因此，高频时，涡流损耗占统治地位，磁芯损耗最坏情况是高Ui和满载，线圈 最坏情况是低Ui和满载。
有些电路利用漏感和互感能量获得零电压转换(ZVT)，但在轻载时漏感能量很小；而互感大小较 难控制，主要通过控制两半磁芯装配气隙大小控制激磁电感。
7.1.3 温升和损耗
在设计开关电源开始时，根据输出功率，输出电压和输出电压调节范围、输入电压、环境条件 等因素，设计者凭经验或参照同类样机，给出一个可能达到的效率，由此得到总损耗值。再将总损 耗分配到各损耗部件，得到变压器的允许损耗。
变压器损耗使得线圈和磁芯温度提高，线圈中心靠近磁芯表面温度最高，此最大“热点” 限 制了变压器的温升。根据式（6-15），温升ΔT（℃）等于变压器热阻Rth（℃/ W）乘以功率损耗P （W）：
∆T = Rth P
在一般工业产品中，民用环境温度最高为40℃。变压器内部最高温度受磁芯和绝缘材料限制， 如果采用铁氧体与A或E级绝缘，变压器温升一般定为40～50℃温升。其内部热点温度为100℃。如 果温升过高，应当采用较大尺寸的磁芯。如果要求较小的体积，应当采用合金磁芯和高绝缘等级的 绝缘材料，允许较高温升，但使效率降低。
7.1 变压器设计一般问题
7.1.1变压器功能
开关电源中功率变压器的主要目的是传输功率。将一个电源的能量瞬时地传输到负载。此外， 变压器还提供其它重要的功能：
① 通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压； ② 增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压； ③ 为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便地提供安全隔离。
7.1.2 变压器的寄生参数及其影响
在第二章讨论了理想变压器和实际变压器，它们的区别在于理想变压器不储存任何能量－所有 的能量瞬时由输入传输到输出。实际上，所有实际变压器都储存一些不希望的能量：
① 漏感能量表示线圈间不耦合磁通经过的空间存储的能量。在等效电路中，漏感与理想变压 器激励线圈串联，其存储的能量与激励线圈电流的平方成正比。
2 .线圈损耗
低频线圈损耗是容易计算的。但高频线圈涡流很难精确确定，因为开关电流矩形波包含高次谐 波。在正激或推挽类拓扑中，如果斜坡分量是斜坡中心值的1/5时，次级峰值电流可近似等于负载电 流，而峰值初级电流等于负载电流除以匝比：
I2p = Io I1p = I2p / n 峰值电流与Ui无关。而在峰值电流为常数时（负载不变），有效值电流的平方，即线圈损耗（I2R 损耗）正比于占空度D，反比于Ui。（对于峰值电流不变，高次谐波主要由开关瞬态引起的，D无明 显变化）。线圈损耗在低Ui时总是最大。
功率变压器设计
本章将讨论正激、桥式、半桥和推挽Fra Baidu bibliotek压器设计。反激变压器（实际上是耦合电感）在第八章 讨论。
设计变压器时，应当预先知道电路拓扑、工作频率、输入和输出电压、输出功率或输出电流以 及环境条件。同时还应当知道所设计的变压器允许多大损耗。总是以满足最坏情况设计变压器，保 证设计的变压器在规定的任何情况下都能满意工作。
3.铁氧体磁芯 开关电源变压器磁芯大多数应用铁氧体材料。在Ⅲ类工作状态，50kHz以下，大多数功率铁氧
体材料磁通密度可以选取0.16T。而在50kHz以上，磁芯损耗与频率1.6~2次方、与磁通摆幅为2～2.7 次方关系。工作磁通密度摆幅应随频率升高而下降（图4-20）。一般在给定的工作频率下，按比损 耗100～200mW/cm3选取磁通密度摆幅。
4.带料合金磁芯 带料合金涡流为主，与铁氧体高频情况相同，磁芯最坏情况是高Ui和满载。线圈最坏情况是低
器伏/匝成正比。因此，如Ui加大一倍，涡流增加一倍，峰值损耗I2R增加4倍；如保持输出稳定，占 空度下降一半，则平均损耗I2R增加一倍。可见磁芯涡流损耗正比于Ui，最坏情况是最高电压。磁芯 涡流损耗还与磁芯结构有关，如果磁芯由相互绝缘的叠片或几块较小的截面组成，涡流比整体小。
② 激磁电感（互感）能量表示有限磁导率的磁芯中和两半磁芯结合处气隙存储的能量。在等 效电路中，激磁电感与理想变压器初级线圈（负载）并联。存储的能量与加到线圈上每匝 伏特有关，与负载电流无关。
漏感阻止开关和整流器电流的瞬态变化，随着负载电流的增加而加剧，使得输出的外特性变软。 在多路输出只调节一路输出时，因存在初级漏感，其它开环输出的稳压性能变差。互感和漏感能量 在开关转换瞬时引起电压尖峰，是EMI的主要来源。为防止电压尖峰造成功率开关与整流器的损坏， 电路中采用缓冲或箝位电路抑制电压尖峰。缓冲和箝位电路虽然能抑制尖峰电压，为了可靠，还需 选择高电压定额的器件；如果缓冲和箝位电路损耗过大，还必须应用更复杂的无损缓冲电路回收能 量。即使这样，缓冲电路中元件不是无损的，环流损失相当多的能量。总之，漏感和激磁电感降低 变换器的效率。因此，通常在设计变压器时，应尽量减少变压器的漏感，详细参看第六章。
变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗，很难精确预计。磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。线 圈损耗包括直流损耗和高频损耗。引起变压器温升主要是稳态损耗，而不是瞬态损耗。
1.磁芯损耗
(1) 磁芯磁滞损耗与频率和磁通摆幅有关。在所有Ⅱ类和Ⅲ类磁芯工作状态（正激和推挽类拓扑）
中，Uo=DUi/n（n=N1/N2－变压器变比）。当工作频率固定，伏秒积即磁通变化量是常数，所以磁滞 损耗是常数，与Ui和负载电流无关。
在200～300kHz以下，磁滞损耗为主。在更高频率时，因为涡流损耗随频率平方（相同磁通摆 幅和波形）上升，超过磁滞损耗。在200～300kHz以下，由于线圈损耗高，变压器最坏情况是低电压 和满载。一旦磁芯的涡流损耗变得明显时，特别在高Ui时，涡流损耗将随频率迅速增加。在第四章 手册中材料损耗曲线（例如图4-20）是正弦波激励下试样取得的，没有给出高压脉冲，小占空度的 损耗曲线。在低Ui时，电流增大，要求导线截面增大，邻近效应严重，线圈损耗也随频率上升。为 了维持合理的Rac/Rdc(FR=1.5)，必须采用扭绕的多股细导线或利兹线。多股线的绝缘和线圈间空隙减 少了窗口充填系数。因此，高频时，涡流损耗占统治地位，磁芯损耗最坏情况是高Ui和满载，线圈 最坏情况是低Ui和满载。
有些电路利用漏感和互感能量获得零电压转换(ZVT)，但在轻载时漏感能量很小；而互感大小较 难控制，主要通过控制两半磁芯装配气隙大小控制激磁电感。
7.1.3 温升和损耗
在设计开关电源开始时，根据输出功率，输出电压和输出电压调节范围、输入电压、环境条件 等因素，设计者凭经验或参照同类样机，给出一个可能达到的效率，由此得到总损耗值。再将总损 耗分配到各损耗部件，得到变压器的允许损耗。
变压器损耗使得线圈和磁芯温度提高，线圈中心靠近磁芯表面温度最高，此最大“热点” 限 制了变压器的温升。根据式（6-15），温升ΔT（℃）等于变压器热阻Rth（℃/ W）乘以功率损耗P （W）：
∆T = Rth P
在一般工业产品中，民用环境温度最高为40℃。变压器内部最高温度受磁芯和绝缘材料限制， 如果采用铁氧体与A或E级绝缘，变压器温升一般定为40～50℃温升。其内部热点温度为100℃。如 果温升过高，应当采用较大尺寸的磁芯。如果要求较小的体积，应当采用合金磁芯和高绝缘等级的 绝缘材料，允许较高温升，但使效率降低。
7.1 变压器设计一般问题
7.1.1变压器功能
开关电源中功率变压器的主要目的是传输功率。将一个电源的能量瞬时地传输到负载。此外， 变压器还提供其它重要的功能：
① 通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压； ② 增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压； ③ 为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便地提供安全隔离。
7.1.2 变压器的寄生参数及其影响
在第二章讨论了理想变压器和实际变压器，它们的区别在于理想变压器不储存任何能量－所有 的能量瞬时由输入传输到输出。实际上，所有实际变压器都储存一些不希望的能量：
① 漏感能量表示线圈间不耦合磁通经过的空间存储的能量。在等效电路中，漏感与理想变压 器激励线圈串联，其存储的能量与激励线圈电流的平方成正比。
2 .线圈损耗
低频线圈损耗是容易计算的。但高频线圈涡流很难精确确定，因为开关电流矩形波包含高次谐 波。在正激或推挽类拓扑中，如果斜坡分量是斜坡中心值的1/5时，次级峰值电流可近似等于负载电 流，而峰值初级电流等于负载电流除以匝比：
I2p = Io I1p = I2p / n 峰值电流与Ui无关。而在峰值电流为常数时（负载不变），有效值电流的平方，即线圈损耗（I2R 损耗）正比于占空度D，反比于Ui。（对于峰值电流不变，高次谐波主要由开关瞬态引起的，D无明 显变化）。线圈损耗在低Ui时总是最大。
功率变压器设计
本章将讨论正激、桥式、半桥和推挽Fra Baidu bibliotek压器设计。反激变压器（实际上是耦合电感）在第八章 讨论。
设计变压器时，应当预先知道电路拓扑、工作频率、输入和输出电压、输出功率或输出电流以 及环境条件。同时还应当知道所设计的变压器允许多大损耗。总是以满足最坏情况设计变压器，保 证设计的变压器在规定的任何情况下都能满意工作。
3.铁氧体磁芯 开关电源变压器磁芯大多数应用铁氧体材料。在Ⅲ类工作状态，50kHz以下，大多数功率铁氧
体材料磁通密度可以选取0.16T。而在50kHz以上，磁芯损耗与频率1.6~2次方、与磁通摆幅为2～2.7 次方关系。工作磁通密度摆幅应随频率升高而下降（图4-20）。一般在给定的工作频率下，按比损 耗100～200mW/cm3选取磁通密度摆幅。
4.带料合金磁芯 带料合金涡流为主，与铁氧体高频情况相同，磁芯最坏情况是高Ui和满载。线圈最坏情况是低