高頻變壓器制作與技術參數

 脈沖變壓器也可稱作開關變壓器，或簡單地稱作高頻變壓器。在傳統的高頻變壓器設計中，由于磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發展，電源系統的小型化、高頻化和大功率化已成為一個永恒的研究方向和發展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率比的關鍵因素。

隨著應用技術領域的不斷擴展，開關電源的應用愈來愈廣泛，但制作開關電源的主要技術和耗費主要精力就是制作開關變壓器的部件。

開關變壓器與普通變壓器的區別大致有以下幾點：

(1)電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級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，甚至高達幾十萬赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時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)繞組線路比較復雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級繞組的尺寸，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系發生變化。

圖1 開關電源原理圖

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Unitrode公司生產的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片UC3842，最高工作頻率可達200kHz。根據鋅錳鐵氧體合金的優異電磁性能，通過具體示例介紹工作頻率為100kHz的高頻開關電源變壓器的設計及注意事項。

2變壓器磁芯的選擇與工作點的確定

2．1 磁芯材料的選擇

從變壓器的性能指標要求可知，傳統的薄帶硅鋼已很難滿足變壓器在頻率、使用環境方面的設計要求。磁芯的材料只有從坡莫合金、鐵氧體材料、鈷基非晶態合金和超微晶合金幾種材料中來考慮。坡莫合金、鈷基非晶態價格高，約為鐵氧體材料的數倍，而飽和磁感應強度Bs也不是很高，且加工工藝復雜。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強度Bs較高，溫度穩定性好，價格低廉，加工方便的性價比較低的鋅錳鐵氧體材料，并選以此材料作為框架的EI28來繞制本例中的脈沖變壓器。

2．2工作點的確定

根據相關資料，EC35輸出功率為50W，飽和磁感應強度大約在2000Gs左右。買來的磁芯，由于廠家提供的磁感應強度月，值并不準確，可用圖2所提供的方式粗略測試一下。將調壓器接至原線圈，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生奇變。此時，磁芯已飽和，根據公式：

U＝4．44fN₁Φ _m可推知在工頻時的Φ _m值。要求不高時，可根據測算出的Φ _m，粗略估算出原線圈的匝數，。

圖2 工作點測試示意圖

3 變壓器主要參數的計算

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關電源設計中應用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種：電流連續模式和電流斷續模式。前者適用于較小功率，副邊二極管存在沒有反向恢復的問題，但MOS管的峰值電流相對較大；后者MOS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極管的反向恢復問題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據實際需求來選擇，本文采用了后者。

設計變壓器時大多需要考慮下面問題：變換器頻率f(H2)；初級電壓U₁(V)，次級電壓U₂(V)；次級電流i₂(A)；繞組線路參數n₁、，n₂；溫升τ(℃)；繞組相對電壓降u；環境溫度τ_HJ(℃)；絕緣材料密度γ_z(g／cm³)

1)根據變壓器的輸出功率選取鐵芯，所選取的鐵芯的戶，值應等于或大于給定值。

2)繞組每伏匝數

                                     (1)

S_T是鐵芯的截面積；k_T是窗口的填充系數；

3)初級繞組電勢

E₁＝U₁(1－)                                                        (2)

4)初級繞組匝數

W₁＝W₀E_l                                                             (3)

5)次級繞組電勢

E_2i＝U_2i (1+)                                                        (4)

6)次級繞組匝數

W_2i＝W₀E_2i                                                           (5)

7)初級繞組電流

                                                    (6)

8)次級繞組電流    

                                            (7)

其中，n₁、n₂：分別是初級繞組和次級繞組的每層匝數。

9)初級繞組線徑

                                      (8)

10)次級繞組線徑

                                     (9)

其中，j是電流密度。

詳細的變壓器設計方法與計算相當復雜，本文參照經驗公式，依據下面的步驟設計了本例轉換器中的高頻變壓器。

3．1 確定變壓器的變比

根據輸出電壓U₀的關系式

                                    (10)

得變比為

                                     (11)

式中U_D為整流器輸出的直流電壓。

本例中U_D＝24V，f為100kHz，t_ON取0．5；n＝2。

3．2 計算初級線圈中的電流

已知輸出直流電壓U₀＝±12V、5V，負載電流均為I₀＝lA，則輸出功率

P₀＝P₁+P₂+P₃＝29W

開關電源的效率η一般在60～90%之間，本例取η＝0．65，則輸入功率為

初級的平均電流為

假定初級線圈的初始電流為零，那么，在開關管的導通期t_ON里，初級線圈中的電流心便從零開始線性增長到峰值I_1P

3．3 計算初級繞組圈數N₁

初級繞組的最小電感L₁為

根據輸出功率P的大小，選用適當的磁芯，其形狀用環形、EI形或罐形均可，本例采用EI28，該類型的鐵芯在f＝50kHz時，功率可達到60W，在f＝100kHz時，輸出功率可達到90W。

式中I_lp—初級線圈峰值電流，A；

L₁—初級電感，H；

S—磁芯截面積，mm₂；

B_m—磁芯最大磁通密度，T。

3．4 計算次級繞組圈數N₂

即±12V分別繞5匝，5V繞3匝。

3．5 反饋繞組N₃的估算

反饋繞組匝數的確定，要求既能保證開關元件的飽和導通又不至于造成過大損耗。根據UC3842的要求，反饋繞組的輸出電壓應在13V左右。因此，

3．6 導線線徑的選取

根據輸入輸出的估算，初線線圈的平均電流值應該允許達到2A。

1)初級繞組

初級繞組的線徑可選d＝0．80mm，其截面積為0．5027mm²的圓銅線。

2)次級繞組

次級繞組的線徑可根據各組輸出電流的大小，利用原級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線。由于工作頻率較高，應考慮集膚效應的影響。

3．7 線圈繞制與絕緣

繞制開關變壓器最重要的問題是想辦法使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因為漏感過大，將會造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關管。因此，在繞制高頻變壓器線圈時，應盡量使初、次級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、次級線圈的漆包線合起來并繞，即所謂雙線并繞。這樣初、次級線間距離最小，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，用初、次級分層間繞法，即1、3、5行奇數層繞初級繞組，2、4、6等偶數層繞次級繞組。這種繞法仍可保持初、次級間的耦合，又可在初、次級間墊絕緣紙，以提高絕緣程度。

(3)夾層式繞法

把次級繞組繞在初級繞組的中間，初級分兩次繞。這種繞法只在初級繞組中多一個接頭，工藝簡單，便于批量生產。

本例中，為減小分布參數的影響，初級采用雙線并繞連接的結構，次級采用分段繞制，串聯相接的方式，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，線圈絕緣應盡量選用抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力，本例中，因為不涉及高壓，絕緣問題不必特殊考慮。

4 結束語

繞制脈沖變壓器是制作開關電源的重要工作，也是設計與制作過程中消耗大量時間和主要精力的工作。變壓器做得好，整個設計與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會出現停振、嘯叫或輸出電壓不穩、負載能力不高等現象。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到90%以上，且波形質量優異，電性能參數穩定。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，要盡最大的努力保證以下幾點：

(1)即使輸入電壓最大，主開關器件導通時間最長，也不至于使變壓器的磁芯飽和；

(2)初級線圈與次級線圈的耦合要好，漏電感要小；

(3)高頻開關變壓器會因集膚效應導致電線的電阻值增大，因而要減小電流密度。通常，工作時的最大磁通密度取決于次級線圈。

                                   (12)

(4)一般來說，采用鐵氧體磁芯E128時，要把B_m控制在3kGs以下。