高頻開關電源變壓器優化設計分析

王珍

摘 要：電源開關在電源系統中的作用十分顯著，且近年來，技術的發展，使開關電源逐漸向高頻方向發展，為了使變壓器能充分發揮它的主要功能，為電源傳輸和轉換高頻開關電源所需要的能量，滿足人們對于開關電源的高要求，就要對其核心部件變壓器進行優化設計。從變壓器的主要構成和分類入手，對變壓器的設計參數進行合理地選取，確定優化目標，采取合理的優化設計方法。

關鍵詞：高頻；開關電源；變壓器；優化設計；

電源變壓器間接起著使電子設備正常工作的作用，如何對電源變壓器進行優化，使開關電源的高頻化與高功率密度化得到有效體現，這是相關人員應該研究的。本文主要針對高頻開關電源變壓器的優化設計進行分析。

一.高頻開關電源變壓器的主要概況

1、高頻開關電源的形成

開關轉換器就是借助于開關管，對其的開合狀態進行高頻控制，主要目的是使電能的形態適用于開關，開關管一般來說具備的是半導體功率。開關電源是將電源轉換器作為關鍵構件，將其輸出電壓控制在一定范圍內，并對電路起到一定的保護作用。在開關電源進行工作時，可以借助于高頻DC/DC轉換器，使開關電源轉換器具備高頻化，這就形成了高頻開關電源。

2、高頻開關電源的主要構成

有四部分，分別是開關型功率變換器，整流濾波電路，交流直線轉換電路以及控制電路[1]。

3、變換器的分類方式

分類方式有五種，其一是按驅動方式進行分類，主要是自激式和他激式。其二是依據拓撲結構進行分類，主要是隔離式和非隔離式。而隔離式又分為正、反激式，全、半橋式，推免式，非隔離式又分為升、降壓型。其三是根據輸入輸出間的電器隔離有無情況，分為隔離式和非隔離式。其四是按照DC轉換器和開關條件分為軟、硬開關兩種。其五根據電路組成可以分為諧振型和非諧振型。

4、變壓器的主要構成

變壓器的主要結構就是磁芯和繞組。磁芯的工作狀態有兩種，一種是雙極性，一種是單極性，這兩種工作狀態的出現和輸入高頻開關電源變壓器的波形有關[2]。磁芯在變壓器中發揮作用時，會產生損耗，經研究，這些損耗分別是磁滯損耗，渦流損耗以及剩余損耗。繞組的損耗則主要是直流和交流狀態下的損耗。為了減小繞組的損耗，就要對組成繞組的繞線材料進行選擇，避免選擇細導線，將電流密度控制在滿足要求的范圍內，對導線直徑也應嚴格要求，使其大小適中。

二.高頻開關電源變壓器優化設計

1、設計參數選取

在變壓器發揮作用前，要對其的相關參數進行設計，這些參數之間存在制約，并不能同時對這些參數進行標準設置，比如變壓器的規模大小和功率、漏感和分布電容等，所以在不同的應用場合，先要考慮適合此種場合的相關參數，對于其他相互依存的參數稍后考慮。高頻變壓器需要設計的參數有很多，文章主要選取影響力比較大的參數進行分析，主要有三方面。

其一溫升。變壓器長時間處于工作狀態，會使得內部的鐵芯不能保持原有的性能，使繞組有燒焦的味道，這是因為這些部件在運行時會摩擦生熱，傳遞給變壓器，使其本身成為熱源，還會通過輻射和對流，使周圍的環境受到溫升的影響，嚴重時，會使變壓器產生熱擊穿問題，對變壓器的使用周期造成威脅[3]。相關人員在意識到溫升的后果，就要對其進行優化控制，將相關部件產生的熱量集中到一起，對其進行集中處理，使優化處理后的熱量得到有效分散，不會對變壓器本身以及周圍的環境產生熱影響。

其二是分布參數。分布參數主要包括漏感和分布電容，這兩者對于高頻開關電源變壓器產生不同程度的損壞。不同種類的變換器，對于分布參數的處理方式不同，可以將開關式的變換器作為研究對象，經研究發現，漏感能使電路中的電壓在短時間內急劇增大，一直到峰值，作用于電路中的相關器件，這些器件沒有充足的反應時間，從而導致其不能維持原有的功能；分布電容會在短時間內，促使電流急劇增大到峰值，在降低充電效率的同時，使開關和二極管的使用壽命遭到威脅，并不能完全發揮原有的功能[4]。所以為了使變壓器的質量受到的影響小一些，要對分布參數進行優化設置，可以使其盡可能地減小，兩者在實際的變壓器運行中，屬于相互作用和相互制約的，不能同時減小，對其進行優化時，要慎重選擇要減小的參數值。對于諧振式變換器，就可以直接對分布參數值進行準確設計，因為這種變換器可以將分布參數吸收為諧振參數的一部分，會對其進行利用。

其三是損耗與效率。變壓器在正常工作時，會消耗部分功率，這就是輸入功率和輸出功率不對等的原因，損耗的功率主要作用于磁芯和繞組，組成變壓器的金屬有鐵和銅，在不同的條件下，產生的損耗變化也有所差異。通過變壓器的短路試驗和空載試驗就可證明這一結論，為鐵損提供額定電壓，測量這個條件下，鐵損的變化，發現其和負載電流無關，不會發生損耗程度的變化，相反，銅在額定負載條件下，其損耗會因負載不同，產生不同程度的損耗，一般和電流的平方呈正相關。

2、優化目標

對高頻開關電源變壓器進行優化，主要目的就是使其原有的性能得到完善，使其整體規模變小，重量減輕，高頻化和高功率密度化性能更顯著，還要使變壓器的各種相關參數得到合理的設置，總之就是使變壓器在開關電源中的核心地位得到體現，使其對開關電源的作用力更大。確立了具體的優化目標，就要充分考慮影響目標實現的因素，分別進行優化設計。比如為了使其效率達到最大，就要使變壓器的繞組初次發揮作用時的損耗程度得到控制，銅損和鐵損是等同的。為了使變壓器的體積和重量便于攜帶，對組成變壓器的結構磁芯與繞組要慎重合理選擇。

3、優化設計方法

磁芯和繞組作為變壓器的主要構件，不同的表現形態對于變壓器的性能影響不同，為了使變壓器得到有效優化，就要對不同狀態下的構件進行比較選擇。首先是磁芯結構，磁芯結構主要有矩形和環形兩種，在這兩種形態的基礎上，結合變壓器作用的電子設備種類，對初級繞組匝數和繞組結構進行合理的設置選擇，因為它們直接影響著磁芯截面積的大小，繞組尺寸以及磁芯窗口面積的控制情況[5]。所以在進行變壓器的優化設計時，在保證進行繞組的匝數和層數不同的前提條件下，比較變壓器的體積、重量和損耗程度，選出最優方案。

三.高頻開關電源變壓器的應用

經過比較，發現矩形磁芯相比環形磁芯在等同的條件下，會有不同的表現，前者表現更為緊湊，原因有兩方面。其一是變壓器在作用時，需要對其進行固定，環形磁芯組成的變壓器會占用部分磁芯，而矩形變壓器則是借助于下側磁芯。其二兩種形態的變壓器的繞組內側長度對于磁芯窗口的影響不同，環形變壓器因為有較大的冗余空間，使得磁芯窗口不能完全發揮它的功能，而矩形變壓器的磁芯窗口則不受影響，還是會得到有效利用。

結語

信息化時代，各種功能的電子設備層出不窮，而這些電子設備的正常運行，需要借助高頻開關電源，如何使開關電源更加高頻化和高功率密度化，如何使其更加便于攜帶，就要對電源開關的變壓器的各種參數進行合理設計，對組成變壓器的磁芯與繞組進行材料和形態的選擇，以使變壓器得到最優的設計方案，為開關電源的質量提供保障。

參考文獻：

[1]常樂.高頻開關電源變壓器的優化設計及其應用[J].電子技術與軟件工程，2017，（01）：235.

[2]甘焯欣.高頻開關電源變壓器優化設計分析[J].電子制作，2016，（02）：28.

[3]孫筱琳，李國勇，王志海.高頻開關電源變壓器的設計分析[J].自動化技術與應用，2008，（06）：53-56.

[4]王譽天.高頻開關電源變壓器的設計要求和方法[J].警察技術，2010，（06）：26+35.

[5]姬海寧，蘭中文，張懷武.高頻開關電源變壓器的設計方法[J].磁性材料及器件，2014，（02）：31-35.