高頻低造型電源變壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　變壓器的輸入和輸出功率測(cè)量方法是這樣的：先將實(shí)測(cè)到的繞組兩端的電壓和流過(guò)的電流瞬時(shí)值相乘，然后再算得乘積在一個(gè)或多個(gè)周期內(nèi)的平均值，即為變壓器的輸入或輸出功率。這個(gè)過(guò)程通過(guò)TektronixA6302數(shù)字示波器來(lái)完成。為了避免高頻對(duì)測(cè)量的影響，繞組兩端分別接示波器的兩個(gè)輸入通道，之間的電壓差即為繞組兩端的電壓。示波器的第三個(gè)通道則輸入通過(guò)電流探頭（TektronixA6302）測(cè)得的電流波形。

　　表1低造型電源變壓器和電感器的參數(shù)

　　圖8所示的為該變壓器效率與輸入功率之間的關(guān)系?？梢钥闯觯撟儔浩骶哂泻芨叩霓D(zhuǎn)換效率。當(dāng)變換器的輸出功率為50W時(shí)，即使是在自然通風(fēng)冷卻情況下，該變壓器也沒(méi)有明顯溫升（50℃），這主要取決于它小的功耗和良好的散熱性能。整個(gè)變換器效率與輸出功率的關(guān)系見圖9。由于采用了同步整流技術(shù)，該變換器具有較高的變換頻率，在輸出功率

為50W時(shí)的效率接近90％。

概括起來(lái)，“5/6匝”低造型變壓器繞組折疊制作法具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免了相鄰導(dǎo)體之間的焊接；

圖7有源箝位同步整流正激式DC/DC變換器

圖8變壓器效率和輸入功率關(guān)系

圖9變換器效率與輸出功率關(guān)系

（2）可以在最大程度上利用磁心窗口高度，提高窗口填充系數(shù)；

（3）使得加工過(guò)程中的銅材料損耗為最少；

（4）制作方法簡(jiǎn)單、快捷，而且干凈、不污染環(huán)境；

（5）使設(shè)計(jì)者可以根據(jù)具體應(yīng)用，選用不同厚度的銅片材料；

（6）特別適合應(yīng)用于高頻高功率密度的開關(guān)電源模塊中。

3高頻低造型電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1高頻變壓器損耗模型

（1）磁心損耗模型

　　變壓器的鐵損主要由磁滯和渦流效應(yīng)導(dǎo)致，磁滯損耗一般認(rèn)為是由磁材料的磁疇運(yùn)動(dòng)及磨擦而導(dǎo)致的。磁滯損耗與頻率成正比，而渦流損耗與頻率的平方成正比。此處將采用最為常用的磁損耗功率密度（單位體積）計(jì)算公式：

Pc=kBmfn(3)

式中k為損耗系數(shù)，B為磁通密度峰－峰值，f為磁場(chǎng)交變頻率，k、m、n與磁材料的特性有關(guān)，可從磁材料供應(yīng)商給出的損耗曲線得出。在高頻時(shí)由于渦流效應(yīng)的影響，因而磁心中磁力線呈不均勻分布，但當(dāng)采用具有高電阻率的鐵氧體軟磁材料作為磁心材料時(shí)，渦流很小，對(duì)磁力線分布的影響可忽略，因而可認(rèn)為磁心橫截面上的磁力線分布是均勻的。對(duì)于圖10所示的E－E型磁心，其損耗為：

　　Pc=kfnΦm(2W2L)1－m(2Hw＋W)(4)

（2）繞組損耗模型

　　P.L.Dowell雖然在對(duì)電磁場(chǎng)作了一維的近似下建立了簡(jiǎn)捷的變壓器銅損和漏感的計(jì)算模型，但該模型使用起來(lái)很方便?？蓪⒅糜陬A(yù)測(cè)高頻變壓器的銅損和漏感，實(shí)現(xiàn)高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在高頻應(yīng)用時(shí)，為了減少銅損和提高電流容量，繞組導(dǎo)體通常采用扁平狀銅片，而且每層只有一圈導(dǎo)體，如圖10和圖12所示，這樣可使電流沿導(dǎo)體的寬度方向分布，減少由于趨膚效應(yīng)所導(dǎo)致的損耗，另外也有利于減少變壓器的整體高度。如果忽略各層導(dǎo)體連接點(diǎn)的影響，對(duì)于匝數(shù)為N的繞組，其直流電阻為：

Rdc=2Nρ(L＋Wc＋2Ww)/(Ww－2dw)tw(5)

式中tw、dw分別是導(dǎo)體厚度和繞組與磁心之間的間隙，由于高頻效應(yīng)，繞組的電阻會(huì)有明顯增大，繞組的交流電阻可表示為：

　　Rac=FrRdc(6)

式中Fr為交流與直流電阻之比，它與磁心及繞組的幾何尺寸和布置有關(guān)?；赑.L.Dowell模型可知，在初次級(jí)繞組分開布置時(shí)Fr值為：

Fr=M＋[D(N2－1)]/3(7)

式中：N——從零漏磁場(chǎng)處開始算起的繞組層數(shù)；

　　M=△(sinh2△＋sin2△)/(cosh2△－cos2△)

D=2△(sinh△－sin△)/(cosh△＋cos△)

△=tw/δ,δ是頻率為f時(shí)的趨膚深度。

初次級(jí)繞組交錯(cuò)布置時(shí)Fr的計(jì)算較為復(fù)雜，現(xiàn)舉一例加以說(shuō)明。當(dāng)其中一繞組被另一繞組夾于中間，而且其圈數(shù)為偶數(shù)，零漏磁場(chǎng)線正好將該繞組分成兩半（即兩邊的導(dǎo)體層數(shù)皆為整數(shù)）時(shí)，F(xiàn)r可根據(jù)式（7）來(lái)計(jì)算，但其中的N應(yīng)為實(shí)際繞組圈數(shù)的一半；當(dāng)其繞組導(dǎo)體層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，見圖11，相應(yīng)的交直流電阻比例系數(shù)Fr

　　在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，磁心的形狀也不一定局限于E型，如果選用其他形狀，銅損和鐵損可按相應(yīng)的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算。