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(chǎn)品（即商品）出發(fā)，說(shuō)明了它的設計原則和要求，并介紹了它的設計程序。

  關(guān)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(shù)中和電力電子技術(shù)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(chēng)“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(shù)語(yǔ)方面的權威機構來(lái)選擇決定。

  同一個(gè)英文名稱(chēng)“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(guò)上萬(wàn)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(wú)論在磁芯線(xiàn)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(zhù)的差別，更不能將電力變壓器設計的優(yōu)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(guò)中頻（10kHz）的電源變壓器，主要用于高頻開(kāi)關(guān)電源中作高頻開(kāi)關(guān)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(gè)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(shù)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(chǎn)生了疑慮，感到有些問(wèn)題值得進(jìn)一步商討，因此才動(dòng)筆寫(xiě)本文。正如《電源技術(shù)應用》主編寄語(yǔ)所說(shuō)的那樣：“具體地分析具體的情況”，寫(xiě)的目的，是嘗試把最難詳細說(shuō)明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設計問(wèn)題弄清楚。如有說(shuō)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(chǎn)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(jià)格比最好。有時(shí)可能偏重性能和效率，有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本?，F在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強調降低成本。其中成為一大難點(diǎn)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(diǎn)”一文中，只談性能，不談成本，不能不說(shuō)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(jià)格比，傳送不到10VA的單片開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器，應當設計出更輕、薄、短、小的方案來(lái)。不談成本，市場(chǎng)的價(jià)值規律是無(wú)情的！許多性能好的產(chǎn)品，往往由于價(jià)格不能為市場(chǎng)接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產(chǎn)品最后被成本否決。一些“節能不節錢(qián)”的產(chǎn)品為什么在市場(chǎng)上推廣不開(kāi)值得大家深思。

  產(chǎn)品成本，不但包括材料成本，生產(chǎn)成本，還包括研發(fā)成本，設計成本。因此，為了節約時(shí)間，根據以往的經(jīng)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(xiàn)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(lái)回進(jìn)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(kāi)發(fā)高頻磁放大器式開(kāi)關(guān)電源，以溫升最低為條件，對高頻電源變壓器進(jìn)行過(guò)優(yōu)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(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中，為了縮短用戶(hù)設計高頻電源變壓器的時(shí)間，有的列出簡(jiǎn)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(hù)著(zhù)想，又推廣公司產(chǎn)品的雙贏(yíng)行為，是完全符合市場(chǎng)規律的行為，絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問(wèn)題是提供的參考數據，推薦的方案是否是經(jīng)驗的總結？有沒(méi)有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些說(shuō)法，都需要經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗，才能站得住腳。

  總之，千萬(wàn)記?。焊哳l電源變壓器是一種產(chǎn)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(jià)格比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗。

3 高頻電源變壓器的設計要求

  以設計原則為出發(fā)點(diǎn)，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(huán)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(huán)境溫度。有些軟磁材料，居里點(diǎn)比較低，對溫度敏感。例如：錳鋅軟磁鐵氧體，居里點(diǎn)只有215℃，其磁通密度，磁導率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，故除正常溫度25℃外，還要給出60℃，80℃，100℃時(shí)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(huán)境溫度為40℃時(shí)，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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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(shí)例數據。作者曾開(kāi)發(fā)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(jīng)相當可觀(guān)了。本來(lái)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(xiàn)，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗。請有關(guān)作者詳細介紹優(yōu)化設計方案，以便廣大讀者學(xué)習。

  電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線(xiàn)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(méi)有特殊原因是不會(huì )產(chǎn)生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz～20kHz，一定有其原因。由于沒(méi)有畫(huà)出噪聲頻譜圖，具體原因說(shuō)不清楚，但是由高頻電源變壓器本身產(chǎn)生的可能性不大，沒(méi)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(shí)例與數據以及對噪聲原因的詳細說(shuō)明，才會(huì )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(gè)：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(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。在功率傳送過(guò)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(guān)。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?lái)，然后通過(guò)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(guān)，磁導率高，電感量大，儲能多，而不直接與磁通密度有關(guān)。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(gè)主要內容。在電源變壓器“設計要點(diǎn)”一文中，很遺憾缺少這一個(gè)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(jīng)查閱，在《電源技術(shù)應用》2003年1/2期，同一主要作者寫(xiě)的開(kāi)關(guān)電源“設計要點(diǎn)”一文中，列出了“磁芯的選擇”，也沒(méi)有提磁導率，只是提出最大磁通密度Bm為0.275T。由于沒(méi)有畫(huà)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？?jì)晌闹卸紱](méi)有一點(diǎn)說(shuō)明，只好讓讀者自己去猜想了。

  電壓變換通過(guò)原邊和副邊繞組匝數比來(lái)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(guān)。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(gè)數值？《電源技術(shù)應用》2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著(zhù)不同的說(shuō)法。“設計要點(diǎn)”一文中說(shuō)：“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(kāi)路時(shí)初級電感量的1％～3％”。“辨析”一文中說(shuō)：“在很多技術(shù)單上，標注著(zhù)漏感=1％的磁化電感或漏感<2％的磁化電感等類(lèi)似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫(xiě)法或設計標準很不專(zhuān)業(yè)。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(gè)數值限制。在制作變壓器的過(guò)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(guān)系作為技術(shù)要求”。“否則這將表明你不理解漏感知識或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值”。雖然兩篇文章說(shuō)法不一樣，但是有一點(diǎn)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(kāi)關(guān)過(guò)程中突然釋放，會(huì )產(chǎn)生尖峰電壓，增加開(kāi)關(guān)器件承受的電壓峰值，對絕緣不利，也產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾。

  絕緣隔離通過(guò)原邊和副邊繞組的絕緣結構來(lái)完成。為了保證繞組之間的絕緣，必須增加兩個(gè)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(huì )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(wèn)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(gè)高頻電源變壓器來(lái)看，損耗不大。例如，100VA高頻電源變壓器，效率為98％時(shí)，損耗只有2W，并不多。但是成十萬(wàn)個(gè)，成百萬(wàn)個(gè)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(cháng)期運行，年總損耗相當可觀(guān)，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(fā)電站。少建發(fā)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(huán)境的污染。既具有節約能源，又具有環(huán)境保護的雙重社會(huì )經(jīng)濟效益。因此，提高效率是高頻電源變壓器一個(gè)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(guān)心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個(gè)比例是隨變壓器的工作頻率發(fā)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(guò)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(shuō)那樣，工頻變壓器從熱穩定熱均勻角度出發(fā)，把銅損等于鐵損作為經(jīng)驗設計規則。隨著(zhù)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(zhù)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(zhù)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(guò)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(shuō)那樣是由于“高頻變壓器采用非常細的漆包線(xiàn)作為繞組”。導線(xiàn)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(lái)決定，與工作頻率不存在直接關(guān)系。而且，選用非常細的漆包線(xiàn)作為繞組，反而會(huì )增加銅損，延緩銅損的下降趨勢。說(shuō)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(jīng)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(gè)主要內容。鐵損也成為評價(jià)軟磁芯材料的一個(gè)主要參數。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關(guān)，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí)，必須說(shuō)明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下?lián)p耗。用符號表示時(shí)，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(shí)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(shí)的損耗。鐵損還與工作溫度有關(guān)，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí)，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(chǎn)品說(shuō)明書(shū)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(lèi)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(shuō)明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類(lèi)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(lèi)，性能因子越高的，工作頻率越高，極限頻率也越高。例如，PW3類(lèi)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(shí)損耗a級≤300kW/m（300mW/cm3），b級≤150kW/m3（150mW/cm3）。***TDK公司生產(chǎn)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(diǎn)”一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時(shí)的損耗應低于50mW/cm3，沒(méi)指明是選哪一類(lèi)軟磁鐵氧體材料，也沒(méi)說(shuō)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(shù)應用》2003年6期“設計要點(diǎn)”一文中的BAC典型值0.04～0.075T？還是《電源技術(shù)應用》2003年1/2期“設計要點(diǎn)”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(jìn)的。請介紹一下是哪家公司哪種型號產(chǎn)品，以便讀者也去購買(mǎi)。

  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(shí)，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(lái)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(jiǎn)化設計計算過(guò)程，這并不象“辨析”一文中所說(shuō)的那樣：“只是工頻變壓器設計的一種經(jīng)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(lái)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(jiǎn)化計算，有時(shí)根據經(jīng)驗預先推薦一些原則和數據是必要的。同樣，為了簡(jiǎn)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(gè)電流密度值，例如，2A/mm2～3A/mm2。應當看到：實(shí)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(jìn)行多種多樣的探索。“你走你的陽(yáng)關(guān)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？