高頻電源變壓器設計原則要求和程序【一】

摘要：

高頻電源變壓器設計原則要求和程序
  
摘要：從高頻電源變壓器作為一種產品（即商品）出發，說明了它的設計原則和要求，并介紹了它的設計程序。

  關鍵詞：高頻電源變壓器；設計原則；設計要求；設計程序

1前言

  電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術中和電力電子技術中得到廣泛的應用。根據傳送功率的大小，電源變壓器可以分為幾檔：10kVA以上為大功率，10kVA～0.5kVA為中功率，0.5kVA～25VA為小功率，25VA以下為微功率。傳送功率不同，電源變壓器的設計也不一樣，應當是不言而喻的。有人根據它的主要功能是功率傳送，把英文名稱“Power Transformers”譯成“功率變壓器”，在許多文獻資料中仍然在使用。究竟是叫“電源變壓器”，還是叫“功率變壓器”好呢？有待于科技術語方面的權威機構來選擇決定。

  同一個英文名稱“Power

  Transformer”，還可譯成“電力變壓器”。電力變壓器主要用于電力輸配系統中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用，原邊電壓為6kV以上的高壓，功率最小5kVA，最大超過上萬kVA。電力變壓器和電源變壓器，雖然工作原理都是基于電磁感應原理，但是電力變壓器既強調功率傳送大，又強調絕緣隔離電壓高，無論在磁芯線圈，還是絕緣結構的設計上，都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別，更不能將電力變壓器設計的優化設計條件生搬硬套地應用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設計方法不一樣，也應當是不言而喻的。

  高頻電源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作高頻開關電源變壓器，也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源變壓器的。按工作頻率高低，可分為幾個檔次：10kHz～50kHz、50kHz～100kHz、100kHz～500kHz、500kHz～1MHz、1MHz以上。傳送功率比較大的，工作頻率比較低；傳送功率比較小的，工作頻率比較高。這樣，既有工作頻率的差別，又有傳送功率的差別，工作頻率不同檔次的電源變壓器設計方法不一樣，也應當是不言而喻的。

  如上所述，作者對高頻電源變壓器的設計原則、要求和程序不存在錯誤概念，而是在2003年7月初，閱讀《電源技術應用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設計文章后，產生了疑慮，感到有些問題值得進一步商討，因此才動筆寫本文。正如《電源技術應用》主編寄語所說的那樣：“具體地分析具體的情況”，寫的目的，是嘗試把最難詳細說明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設計問題弄清楚。如有說得不對的地方，敬請幾位作者和廣大讀者指正。

2 高頻電源變壓器的設計原則

  高頻電源變壓器作為一種產品，自然帶有商品的屬性，因此高頻電源變壓器的設計原則和其他商品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重性能和效率，有時可能偏重價格和成本?，F在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發展方向，是強調降低成本。其中成為一大難點的高頻電源變壓器，更需要在這方面下功夫。所以在高頻電源變壓器的“設計要點”一文中，只談性能，不談成本，不能不說是一大缺憾，如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則，追求更好的性能價格比，傳送不到10VA的單片開關電源高頻變壓器，應當設計出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本，市場的價值規律是無情的！許多性能好的產品，往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產品最后被成本否決。一些“節能不節錢”的產品為什么在市場上推廣不開值得大家深思。

  產品成本，不但包括材料成本，生產成本，還包括研發成本，設計成本。因此，為了節約時間，根據以往的經驗，對高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數據，對窗口填充程度，繞組導線和結構推薦一些方案，有什么不好？為什么一定要按步就班地來回進行推算和仿真，才不是概念錯誤？作者曾在20世紀80年代中開發高頻磁放大器式開關電源，以溫升最低為條件，對高頻電源變壓器進行過優化設計。由于熱阻難以確定，結果與試制樣品相差甚遠，不得不再次修正?，F在有些公司的磁芯產品說明書中，為了縮短用戶設計高頻電源變壓器的時間，有的列出簡化的設計公式，有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想，又推廣公司產品的雙贏行為，是完全符合市場規律的行為，絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問題是提供的參考數據，推薦的方案是否是經驗的總結？有沒有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些說法，都需要經過實踐檢驗，才能站得住腳。

  總之，千萬記?。焊哳l電源變壓器是一種產品（即商品），設計原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產品能否經受住市場的考驗。

3 高頻電源變壓器的設計要求

  以設計原則為出發點，可以對高頻電源變壓器提出4項設計要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。

3.1 使用條件

  使用條件包括兩方面內容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現在由于環境保護意識增強，必須注意電磁兼容性。

  可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對高頻電源變壓器影響最大的是環境溫度。有些軟磁材料，居里點比較低，對溫度敏感。例如：錳鋅軟磁鐵氧體，居里點只有215℃，其磁通密度，磁導率和損耗都隨溫度發生變化，故除正常溫度25℃外，還要給出60℃，80℃，100℃時的各種參考數據。因此，將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下，也就是環境溫度為40℃時，溫升只允許低于60℃，相當于A級絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件，一般都采用E級和B級絕緣材料，采用H級絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因為H級絕緣的高頻電源變壓器優化的設計方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?如果是，請舉具體實例數據。作者曾開發H級絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器，與B級絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器相比，體積減小15％到20％，已經相當可觀了。本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器，如次級繞組采用三重絕緣線，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經驗。請有關作者詳細介紹優化設計方案，以便廣大讀者學習。

  電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料，產生的電磁干擾大。例如，錳鋅軟磁鐵氧體，磁致伸縮系數λS為21×10－6，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶納米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此，工作頻率為100kHz左右的高頻電源變壓器，沒有特殊原因是不會產生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開關電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz～20kHz，一定有其原因。由于沒有畫出噪聲頻譜圖，具體原因說不清楚，但是由高頻電源變壓器本身產生的可能性不大，沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。至于采用這種粘合工藝可將音頻噪聲降低5dB，請給出實例與數據以及對噪聲原因的詳細說明，才會令人可信。

  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干擾，不能阻止傳導干擾。

3.2 完成功能

  高頻電源變壓器完成功能有3個：功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。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。在功率傳送過程中，磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從最大值Bm變化到剩余磁通密度Br，或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值ΔB=Bm－Br。為了提高ΔB，希望Bm大，Br小。雙方向變化工作模式磁通度從＋Bm變化到－Bm，或者從－Bm變化到＋Bm。磁通密度變化值ΔB=2Bm，為了提高ΔB，希望Bm大，但不要求Br小，不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式，變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導率有關。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，變為磁能儲存起來，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，而不直接與磁通密度有關。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數不一樣，但是在高頻電源變壓器設計中，磁芯的材料和參數的選擇仍然是設計的一個主要內容。在電源變壓器“設計要點”一文中，很遺憾缺少這一個主要內容。只是在“交流損耗”一條中，提出BAC典型值為0.04～0.075T。顯然，文中的高頻電源變壓器是采用電感功率傳送方式，為什么不提磁導率，而提BAC弄不清楚。經查閱，在《電源技術應用》2003年1/2期，同一主要作者寫的開關電源“設計要點”一文中，列出了“磁芯的選擇”，也沒有提磁導率，只是提出最大磁通密度Bm為0.275T。由于沒有畫磁通密度變化波形，弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致：為什么BAC和Bm相差6.8～3.7倍？更不清楚，選的是哪一種軟磁鐵氧體材料？為什么選這種型號？兩文中都沒有一點說明，只好讓讀者自己去猜想了。

  電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數比來完成。不管功率傳送是哪一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數比，只要不改變匝數比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數與高頻電源變壓器的漏感有關。漏感大小與原繞組匝數的平方成正比。有趣的是，漏感能不能規定一個數值？《電源技術應用》2003年第6期同時刊登的兩篇文章有著不同的說法。“設計要點”一文中說：“對于一符合絕緣及安全標準的高頻變壓器，其漏感量應為次級開路時初級電感量的1％～3％”。“辨析”一文中說：“在很多技術單上，標注著漏感=1％的磁化電感或漏感<2％的磁化電感等類似的技術要求。其實這種寫法或設計標準很不專業。電源設計者應當根據電路正常工作要求，對所能接受的漏感值作一個數值限制。在制作變壓器的過程中，應在不使變壓器的其他參數（如匝間電容等）變差的情況下盡可能減小漏感值，而非給出漏感與磁化電感的比例關系作為技術要求”。“否則這將表明你不理解漏感知識或并不真正關心實際的漏感值”。雖然兩篇文章說法不一樣，但是有一點是共同的，就是盡可能減小漏感值。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，會產生尖峰電壓，增加開關器件承受的電壓峰值，對絕緣不利，也產生附加損耗和電磁干擾。

  絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結構來完成。為了保證繞組之間的絕緣，必須增加兩個繞組之間的距離，從而降低繞組間的耦合程度，使漏感增大。還有，原繞組一般為高壓繞組，匝數不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。這樣，匝數有下限，使漏感也有下限?？傊?，在高頻電源變壓器絕緣結構和總體結構設計中，要統籌考慮漏感和絕緣強度問題。

3.3 提高效率

  提高效率是對電源和電子設備的普遍要求。雖然從單個高頻電源變壓器來看，損耗不大。例如，100VA高頻電源變壓器，效率為98％時，損耗只有2W，并不多。但是成十萬個，成百萬個高頻電源變壓器，總損耗可能達到上100kW，甚至上MW。還有，許多高頻電源變壓器一直長期運行，年總損耗相當可觀，有可能達到上10GW·h。這樣，提高高頻電源變壓器效率，可以節約電力。節約電力后，可以少建發電站。少建發電站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放CO2，SO2，NOx，廢氣，廢水，煙塵和灰渣，減少對環境的污染。既具有節約能源，又具有環境保護的雙重社會經濟效益。因此，提高效率是高頻電源變壓器一個主要的設計要求，一般效率要提高到95％以上，損耗要減少到5％以下。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗（鐵損）和繞組損耗（銅損）。有人關心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個比例是隨變壓器的工作頻率發生變化的。如果變壓器的外加電壓不變，工作頻率越低，繞組匝數越多，銅損越大。因此在50Hz工頻下，銅損遠遠超過鐵損。例如：50Hz，100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器，銅損為鐵損的5倍左右。50Hz，100kVASH11型三相油浸式非晶合金電力變壓器，銅損為鐵損的20倍左右。并不存在“辨析”一文中所說那樣，工頻變壓器從熱穩定熱均勻角度出發，把銅損等于鐵損作為經驗設計規則。隨著工作頻率升高，繞組匝數減少，雖然由于趨表效應和鄰近效應存在而使繞組損耗增加，但是總的趨勢是銅損隨著工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗，隨著工作頻率升高而迅速增大。在某一段工作頻率，有可能出現銅損和鐵損相等的情況，超過這一段工作頻率，鐵損就大于銅損。造成鐵損不等于銅損的原因，也并不象“辨析”一文中所說那樣是由于“高頻變壓器采用非常細的漆包線作為繞組”。導線粗細的選擇，雖然受趨表效應影響，但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來決定，與工作頻率不存在直接關系。而且，選用非常細的漆包線作為繞組，反而會增加銅損，延緩銅損的下降趨勢。說不定在設計選定的工作頻率下，還有可能出現銅損等于鐵損的情況。根據有的資料介紹，中小功率高頻電源變壓器的工作頻率在100kHz左右，鐵損已經大于銅損，而成為高頻電源變壓器損耗的主要部分。

  正因為鐵損是高頻電源變壓器損耗的主要部分，因此根據鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設計的一個主要內容。鐵損也成為評價軟磁芯材料的一個主要參數。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時，必須說明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下損耗。用符號表示時，也必須標明PB/f〔式中工作磁通密度B的單位是T（特斯拉），工作頻率f的單位是Hz（赫芝）〕。例如，P0.5/400表示工作磁通密度為0.5T，工作頻率為400Hz時的損耗。又例如，P0.1/100k表示工作磁通密度為0.1T，工作頻率為100kHz時的損耗。鐵損還與工作溫度有關，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時，必須指明它的工作溫度，特別是軟磁鐵氧體材料，對溫度變化比較敏感，在產品說明書中都要列出25℃至100℃的鐵損。

  軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限，常常是鐵損限制了工作磁通密度的上限。所以，在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類標準中，把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積B×f，作為材料的性能因子，并說明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類標準根據性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1，PW2，PW3，PW4，PW5等5類，性能因子越高的，工作頻率越高，極限頻率也越高。例如，PW3類軟磁鐵氧體材料，工作頻率為100kHz，極限頻率為300kHz，性能因子B×f為10000mT×kHz，即在100mT（0.1T）和100kHz下，100℃時損耗a級≤300kW/m（300mW/cm3），b級≤150kW/m3（150mW/cm3）。***TDK公司生產的PC44型軟磁鐵氧體材料達到PW3a級標準，達不到PW3b級標準。

  “設計要點”一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時的損耗應低于50mW/cm3，沒指明是選哪一類軟磁鐵氧體材料，也沒說明損耗對應的工作磁通密度。讀者只好去猜：損耗對應的工作磁通密度是《電源技術應用》2003年6期“設計要點”一文中的BAC典型值0.04～0.075T？還是《電源技術應用》2003年1/2期“設計要點”一文中的Bm值0.237T？不管是0.075T，還是0.237T？要達到100kHz下鐵損低于50mW/cm3的鐵氧體材料是非常先進的。請介紹一下是哪家公司哪種型號產品，以便讀者也去購買。

  在某一段工作頻率下，高頻電源變壓器的繞組損耗（銅損）與鐵損相接近時，例如，銅損/鐵損=100％～25％范圍內，銅損也不能忽視，也應當考慮采取措施來減少銅損。由于原繞組和副繞組承擔的功率相近，往往在設計中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損，以便簡化設計計算過程，這并不象“辨析”一文中所說的那樣：“只是工頻變壓器設計的一種經驗規則，”對一定工作頻率下高頻電源變壓器設計也適用。不能只強調依靠溫升來設計高頻電源變壓器，由于熱阻不容易準確確定，設計計算相當麻煩。因此，為了簡化計算，有時根據經驗預先推薦一些原則和數據是必要的。同樣，為了簡化計算，對不同工作頻率，不同功率的高頻電源變壓器推薦不同的繞組電流密度，也是必要的，但不限于某一個電流密度值，例如，2A/mm2～3A/mm2。應當看到：實現高頻電源變壓器設計要求的方法并不限于一種，應當允許進行多種多樣的探索。“你走你的陽關道，我走我的獨木橋”。為什么一定要按你指定的道路走，才不是“錯誤概念”呢？