高頻變壓器及其它感性元器件概述課件

1.什么是高頻變壓器？高頻變壓器是工作頻率超過中頻（10kHz）的電源變壓器，主要用于高頻開關電源中，是開關電源最主要的組成部分，不僅對電源效率有較大的影響，而且直接關系到電源的其它技術指標和電磁兼容性(EMC)。為此，一個高效率高頻變壓器應具備直流損耗和交流損耗低、漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小等條件。由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。完成功能有三個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。

磁芯結構直接決定了高頻變壓器的基本框架結構，結構差異，對使用有各自不同影響，主要表現(xiàn)在體積、磁耦合能力、散熱效果、露磁，匝數(shù)限制等方面。因此，可由特殊化需求而特殊設計，沒有絕對情況（參見下圖）:

圖1

可通過硅鋼片、鎳鋼薄片或鐵氧體等材料做成圖1各個符合需求的形狀結構。我們當前使用的是4個“E”型鐵氧體材料對接而成。2.高頻變壓器的結構兩種：第一種是變壓器功率的傳送方式，加在原繞組上的電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。在此情況下，變壓器功率傳送方式不直接與磁芯磁導率有關，而直接與磁通密度有關；不需要在鐵芯上留有氣隙，并應減小，利于增大磁通密度。第二種是電感器功率傳送方式，原繞組輸入的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，然后通過去磁使副繞組感應電壓，變成電能釋放給負載。傳送功率決定于電感磁芯儲能，而儲能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導率有關，磁導率高，電感量大，儲能多。在此情況下，傳送功率不直接與磁通密度有關；在鐵芯磁心設計上可以考慮留有氣隙，主要是利用氣隙儲能,如果不開氣隙那么反激的電感就需要做得很大,開了氣息就可以減少電感,防止變壓器飽和。圖2.變壓器功率傳送方式圖3.電感器功率傳送方式我們使用的是第一種。第一種漏感漏磁較小，但散熱效果不太好；第二種便于散熱，但漏感漏磁較大。3.高頻變壓器的功率傳送方式提高效率是高頻變壓器的一個設計要求,一般效率要提高到95%以上，只有降低損耗才能提高效率。高頻變壓器損耗包括磁芯損耗(鐵損)和繞組損耗(銅損),變壓器的鐵損和銅損的比例隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化。鐵損是高頻變壓器損耗的主要部分。根據(jù)鐵損選擇磁芯材料是設計的一個主要內容。銅損是由于絕緣銅線（即繞組）產(chǎn)生的損耗，主要包括在發(fā)熱和漏感方面。尤其是在大功率負載情況下，流經(jīng)次級線圈電流過大，發(fā)熱就更為明顯，嚴重時會燒斷次級線圈。為提高效率，應盡量選擇較粗的導線，并取電流密度J=4～10A/mm。5.高頻變壓器的損耗

1.鐵損是關鍵，選材很重要。即使是同樣型號的鐵芯如果工藝處理不好，那品質差別也是很大的，其差別有時甚至高達百分之四五十。從專業(yè)的角度來判斷鐵芯的好與不好，主要是通過激磁電流、鐵損耗、飽和參數(shù)幾項指標來進行綜合性價。既然我們選擇了變壓器功率傳送方式，在選擇磁芯材料時，要以變壓器功率傳送方式的要求選擇磁芯參數(shù)。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。2.銅損與線圈材料截面、繞線方式有極大關系。對于負載功率較大的高頻變壓器，考慮集膚效應和鄰近效應,導線材料采用多股絞線(里茲線),有時也采用扁銅線和銅帶,絕緣材料采用耐熱等級高的材料,采用雙層和三層絕緣導線,以減少線圈尺寸?？刹捎檬止だ@制線圈，手工繞制可以將變壓器的漏磁做得非常小，其在繞制過程中能針對線圈匝數(shù)的布局隨時予以調整，在絕緣處理工藝的可靠性方面機器繞制也不如手工繞制到位。所以真正的高端變壓器一定是純手工繞制，純手工繞制的唯一缺點是效率低、速度慢。減小漏感時可采取以下措施：減小初級繞組的匝數(shù)NP;增大繞組的寬度(例如選EE型磁芯，以增加骨架寬度b);增加繞組的高、寬比;減小各繞組之間的絕緣層,并且絕緣材料對成本、體積結構均有影響;增加繞組之間的耦合程度。6.降低高頻變壓器損耗的措施

在設計過程中，應盡可能減小漏感值。因為漏感值大，儲存的能量也大，在電源開關過程中突然釋放，會產(chǎn)生尖峰電壓，增加開關器件承受的電壓峰值，也對絕緣不利，產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比，即原繞組匝數(shù)越小，漏感越小，這樣可以使變壓器的體積變小。變壓器初級匝數(shù)比較少，損耗會少些，但對開關的沖擊比較大，反壓會有些高，紋波稍大。在設計高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因為漏感愈大，產(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高，漏極鉗位電路的損耗就愈大，這必然導致電源效率降低。對于一個符合絕緣及安全性標準的高頻變壓器，其漏感量應為次級開路時初級電感量的1%～3%。要想達到1%以下的指標，在制造工藝上將難于實現(xiàn)。7.漏感的影響及危害

高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應以及磁芯損耗引起的。高頻電流通過導線時總是趨向于從表面流過，這會使導線的有效流通面積減小，并使導線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。高頻電流對導體的穿透能力與開關頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導線半徑不得超過高頻電流可達深度的2倍。舉例說明，當f=100kHz時，導線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應，實際可用更細的導線多股并繞，而不用一根粗導線繞制。8.減小高頻變壓器交流損耗的方法

高頻變壓器磁芯一般使用軟磁材料，鐵氧體材料是復合氧化物燒結體,和其它軟磁磁芯材料一樣,軟磁鐵氧體的優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小,價格便宜,易加工成各種形狀的磁芯,產(chǎn)生機械振動噪聲的可能性較小。缺點是工作磁通密度低、磁導率不高、磁致伸縮大、對溫度變化比較敏感。高頻變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因之一就是磁芯的磁致伸縮。它適合高頻下使用,因此高頻變壓器一般采用鐵氧體材料作為磁芯。10.鐵氧體鐵芯的性能1.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。高頻變壓器屬于磁性元件，在使用中不易完全掌握磁性元件的工作情況，在選用磁性元件時，不像電子元器件有現(xiàn)成品可供選擇，所以大多數(shù)磁性元件在使用中需自行設計或提供參數(shù)委托磁性元件生產(chǎn)廠家設計加工。每種變壓器在國家規(guī)定中都有各自的衡量標準，負載功率一定，對線圈、磁芯直徑有相應要求。2.屏蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播，在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當采取相應的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因為它只能阻止輻射傳播干擾，不能阻止傳導傳播干擾。

3.設計中，在最大輸出功率時，磁芯中的磁感應強度不應達到飽和，以免在大信號時產(chǎn)生失真。4.在瞬變過程中，高頻鏈漏感和分布電容會引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩，使損耗增加，嚴重時會造成開關管損壞。同時，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時，應考慮分布電容的影響，降低分布電容有利于抑制高頻信號對負載的干擾。對同一變壓器同時減少分布電容和漏感是困難的，應根據(jù)不同的工作要求，保證合適的電容和電感。5.在強磁場力作用下，磁性材料會收縮或膨脹，很可能出現(xiàn)磁共振，所以把磁芯變壓器裝在印制電路板上時要注意一定粘結牢固，防止出現(xiàn)機械噪聲和電磁噪聲。12.設計及使用中應注意的基本問題

在對高頻變壓器廠商提出設計要求時，應從以下方面考慮，這樣才能確保出來的產(chǎn)品能為我們所用：1.安裝空間尺寸、方式、環(huán)境、接線端子余量及孔徑尺寸（夾件及接線端子盡量采用標準件）2.變壓器的總視在功率Pt（注意不是DC/DC開關電源的額定功率，而是高頻變壓器的輸出端子總視在功率）3.高頻變壓器的工作頻率、效率、耐溫范圍、額定電壓、4.次級繞組個數(shù)及各自與初級電壓比5.磁通方向變化（雙方向變化）具體性能應從以下方面來要求：可靠性好，溫升不能太高（即散熱性要好），具有良好的電磁兼容性，能長時間在最大負載情況下工作，成本較低。14.高頻變壓器的整體設計要求

1.我們當前要求的高頻變壓器的工作頻率是55kHz（額定電壓約為380V——需設計人員確定肯定），單從輸入電源來說，我們目前還沒有此電源設備。所以，單對高頻變壓器的測試檢驗在沒有輔助設備的情況下就無從談起。2.市場上有相應的設備進行檢測掃描測試包括電感量，漏感量，圈數(shù)比，直流電阻，阻抗，線圈間容量等主參數(shù)。通過與標準件比對可以檢驗測試降低不合格率。3.但對待定型的高頻變壓器我們只有通過對DC/DC開關電源的整體測試來判斷是否符合設計要求。如若不符，首先得確保高頻變壓器生產(chǎn)廠家的測試檢驗結果是否符合整體設計要求。4.由于我們不是制造高頻變壓器的廠家，也沒有相應的多樣、專業(yè)的檢測設備，所以單純的對高頻變壓器的測試是不現(xiàn)實的，只能借助相應檢測設備降低次品概率，最終還是得通過對DC/DC開關電源的整體測試來判斷是否符合使用。5.常規(guī)的220V/50Hz交流電可用來判斷高頻變壓器的電壓比，但不能說明其它問題；也可以進行粗略測試，具體方法: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(fā)生奇變,此時磁芯已飽和,根據(jù)公式:U=4.44fN1Φm可推知Φm值，再通過與標準間進行粗略對比來判斷。6.一旦高頻變壓器由生產(chǎn)廠家定型，在我們沒有購置相應的來料檢驗設備情況下，直接使用，通過對DC/DC開關電源的整體檢驗來判別。當然，也可以事先通過常規(guī)交流電來判斷高頻變壓器的電壓比，初步?jīng)Q定是否可用。不過，一般情況下，高頻變壓器定型后在它的生產(chǎn)過程中，高頻變壓器的相應參數(shù)對設計廠商而言有了相應數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，所以如果生產(chǎn)嚴格把關的話，很少會出現(xiàn)不合格品。15.高頻變壓器的檢驗測試

互感器：電流互感器和電壓互感器的統(tǒng)稱。將高電壓變成低電壓、大電流變成小電流，用于量測或保護系統(tǒng)。在我們的產(chǎn)品中，Ｌ２就是電流互感器，，用于過電流檢測保護?，F(xiàn)在談一下我們使用的感性磁性元器件：１．Ｔ２、Ｔ４為常規(guī)小型變壓器在選擇使用過程中應結合外圍電流來選型或設計。由于DC/DC開關電源屬內部密閉結構，散熱條件不太理想、環(huán)境溫度比較高，所以建議其漆包線的電流密度應取2A/mm２(線徑)。要設計出性價比較高的變壓器，鐵芯的截面積只能大不能??；適當減少每伏的匝數(shù)；詳細分析負載情況；合理選用漆包線的規(guī)格。２．Ｌ１為雙電感，作用在于濾除輸入直流電內的交流成分。３．Ｌ３的選擇也是根據(jù)外圍電路來選擇設計的，不過，線徑相應放大一些是沒有壞處