摘要：随着技术的发展，开关电源中的其它器件集成度越来越高。变压器却往往需要根据具体的应用来定制所需的产品。其性能的优劣直接影响到开关电源的可靠性和稳定性。因此，了解和掌握变压器的设计对开关电源的设计具有重要意义。本文将详细研究开关电源高频变压器的设计，以供相关人员参考。
关键词：开关电源；高频变压器；设计
1高频变压器
高频变压器通常是指工作频率在中频以上的电源变压器，它是开关电源的核心组件，其输出电压是由各绕组线圈的匝数比例决定的，输出功率则与工作频率有很大的关系。开关电源多采用半桥式功率转换电路来实现电能转换，两桥臂上的两个开关元件以高频进行轮流导通，从而形成高频脉冲波，再由高频变压器降压即可输出低压交流电。变压器的漏感和分布电容是影响其性能的主要因素。
2高频变压器设计
2.1设计选用变压器的磁芯材料
在变压器的设计过程中，首先要选择变压器的磁芯材料，根据开关电源输出功率的大小，达到设计变压器结构的目的。高频变压器中软磁材料的磁芯是最为关键的部分，在设计和制造过程中也是难度最大的。高频电子变压器需要磁芯是为了扩展变压器工作的温度范围，减少电子变压器的损耗，从而在批量生产中实现节能的目的。
在设计和选择磁芯的时候需要考虑磁芯的性能、散热情况以及磁芯的体积等问题，这些最基本的问题恰恰决定了最终变压器的好坏。磁芯材料确定后，要计算出磁芯有效的导磁面积。它由窗口的面积、磁通密度的大小、磁芯面积的大小、电流密度和变压器的工作频率决定。
2.2高频变压器电压比计算
在高频变压器的设计当中，高频变压器电压比计算也是一项重要的内容。从具体的分析来看，高频变压器是电力电子变压器中移相全桥变换器的关键性部分。在变压器的一次电流进行换向的时候，电流值会逐渐地减小，此时二次侧会失去部分电压方波，而在电压方波失去的情况下，变压器的二次电压会出现明显的降低。基于这种情况的存在，在进行高频变压器电压比计算的时候，一定要考虑二次占空比丢失的情况。总而言之，在进行高频变压器设计的时候，一定要将移相控制方案存在的二次占空比丢失的问题进行全面的考虑。
2.3高频变压器绕阻计算
在高频变压器的设计中，绕阻是需要重点注意的一项内容，所以需要对绕组计算进行明确。在具体的绕阻分析中，一次绕阻的匝数N1可以根据式（1）进行计算：
N1＝.png)
（1）
式中，Vin为输入电压，按照设计标准，其值取310V；在考虑磁心尺寸的情况下，Ae的值取3cm2。这样就可以得到N1的匝数是34.91匝。利用相同的原理还可以进行二次绕阻的计算。在获得计算结果后取整数值，具体的匝数可以得到确定。
从具体的分析来看，高频变压器的绕阻还受到集肤效应以及邻近效应的影响，所以在进行高频变压器绕阻计算的时候，必须要对这些影响因素进行考虑，这样，获得的计算值才会更具可靠性。因为集肤效应的影响消除可以通过线径的控制来实现，所以根据穿透深度的大小进行线径的选择，这样，整个高频变压器的绕组计算值会更加地精准。
2.4变压器的漏电感
通常变压器的漏电感是越小越好，在实际设计中有以下方法可供参考：
（1）采用绞合铜线，使铜占因子上升。（2）采用宽薄的铜箔，铜占因子最高。（3）绕组设计成细长型，以减少漏感。（4）次级绕组绕在初级绕组中间，或把次级绕组绕在初级绕组外部，使两绕组紧密耦合。
实际设计变压器时，由于PCB板或整机的空间受到限制，其中包括体积、工作频率等，因此变压器就要按PCB板或整机的空间来设计。按体积、功率、频率、占空比等参数，确定变压器的型号及大小。按变压器的输入、输出等条件，可以得出变压器初步方案，再经实际制作样品，来验证初步方案是否达到设计要求，这时测试是指变压器的静态测试，在静态测试达到要求后，再将变压器插装到PCB或整机进行测试，这时的测试包括空载测试、额定负载测试、老化等等。
2.5变压器的分布电容
通常变压器的分布电容也是越小越好，需要注意以下几点：（1）选用介电常数较低的漆包线。（2）减小极板正对面积。（3）加大极板之间的距离。
实际设计变压器时，通常选用的材料相对是比较省成本的，如果为了减小分布电容而换成不常用的材料，可能会造成不良后果。由于市场竞争激烈，很多厂家以低价格的要求来生产符合性能要求，以便快速占领市场。另外，可以从加大极板之间的距离、减小极板的正对面积等方面，来降低分布电容。
3高频变压器设计中的线圈及其结构设计
3.1线圈材料
随着高频电子变压器整体结构的改变，线圈的材料也在不断改进，出现了平面式、片式以及薄膜式线圈。
（1）立式结构的变压器
立式结构的变压器在电子变压器中体积比较大，在实际的设计中，根据具体参数进行计算。在立式变压器中，导线材料的集肤效应和邻近效应是必须要注意的。为了解决这两种效应带来的一系列问题，绕线采用了多股绞线或者铜排。高频变压器内部会有发热的现象，为了保障安全缩小体积，耐热材料的耐热等级要求较高，这样可以让变压器具有更高的温升和更小的体积。为了缩小体积，绕线还可以采用双层绕线和三层绕线。另外，工频电机和变压器中开发出了运用纳米技术实现云母泳涂的技术，在铜线的表面形成一个Ｃ级的绝缘等级，试验效果良好，正在尝试在高频变压器中运用。
（2）平面结构的变压器
所谓的平面结构，指的是在印制电路板上实现线圈的缠绕和布置。单层电路板和多层电路板目前都可以实现，这样的制造方法可以方便地实现需要的各种线圈形状。在多层板中可以实现线圈的堆叠，方便缩小等级。在印制电路板组成的平面式变压器中，绝缘材料一般选择Ｂ级的。
（3）薄膜结构的变压器
薄膜结构是一种更加小巧的结构，一般是由铜、银等延展性和导电性良好的金属制成。这些薄膜制造成需要的形状就组成了薄膜式的电子变压器。这种结构采用的绝缘材料为Ｈ或者Ｃ级。薄膜结果是目前最有前途的电子变压器之一，没有固定的形态。
3.2线圈的绕制与绝缘
漏感是影响变压器性能的重要参数。线圈的绕制方法会影响变压器的漏感。在绕制变压器时，初次级绕组需要紧密耦合在一起，从而使得变压器的漏感减小。漏感过大，会在变压器产生尖峰电压，使开关管被击穿，从而不能正常工作。常用的变压器绕法有：
（1）将初级、次级绕组合起来的双线绕法。这种方式可以使初级、次级绕组之间的距离达到最小，因此漏感最小，但绕制比较麻烦；
（2）将奇数层、偶数层分层绕制。这种方式绕制较（1）容易，但是增大耦合电容；
（3）将次级绕组夹在初级绕组之间，称为夹层式绕制。这种绕制方法工艺简单，容易绕制。在低压大电流情况下，此方法可以减少导线的铜损。此外，初级线圈离铁芯远，高频干扰较小。
结语：本文基于高频变压器在开关电源的应用讨论了变压器的设计方法，分析了设计中需要注意的关键点问题，包括磁芯选择、电压比和绕组计算、线圈绕制等。在实际工作中，还需要根据实际情况合理设置变压器主要参数，根据设计结果制定有效的设计方案，为开关电源的稳定运行提供基础条件。
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[3]王海恩,刘志忠,曲高飞.开关电源的设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2018(02):82-85.
论文作者:李素文
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：变压器论文; 绕组论文; 高频变压器论文; 开关电源论文; 线圈论文; 电压论文; 磁芯论文; 《电力设备》2018年第21期论文;