如何提高高频变压器的性能？

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：高频变压器是开关电源进行电能转换的动力，是决定其性能好坏的重要部件，它影响着开关电源的功率、效率和质量等。设计高频变压器要注意减少漏感、趋肤效应和邻近效应，因为这3条是影响变压器性能的重要因素。此外，高频变压器的漏感的电能与一次峰值电流IP的二次方成正比，这种电能在每个开关周期内被消耗。最后是高频变压器的屏蔽问题。高频变压器是向外发射高频电磁信号的发生源，同时也是影响电磁兼容性的一个最大的难点。

高频变压器是开关电源进行电能转换的动力，是决定其性能好坏的重要部件，它影响着开关电源的功率、效率和质量等。变压器在开关电源电路里起着磁耦合、传送能量、存储电能、抑制尖峰电压和尖峰电流的作用。另外，它还与电路电容构成频率振荡器，产生谐振，调整控制输出电压，实现电压的升降。所以说，设计开关电源不如说是设计高频变压器，设计高频变压器是设计开关电源的基础，是核心。

高频变压器的设计项目包括：

1）直流输入电压参数：输入电压的最小值、输入电压的最大值、一次电流I_P、最大占空比D_max的选用与计算，一次平均电流I_AVG的设计与计算，峰值电流的计算，脉动电流I_R的计算，有效电流I_rms的计算，一次电感L_P的计算，一次绕组匝数N_P的计算。

2）二次参数：二次绕组匝数N_S的计算，二次电流I_S的设计与计算，一次、二次线径的计算与核对，一次、二次电流密度J的检查与核对。

3）高频变压器磁心结构的选用：磁心大小与结构形式的选用，磁心有效截面积A_e、磁心窗口面积B_e、有效磁路长度l、磁心气隙宽度δ的计算。

4）骨架的配置与计算：骨架的绕组宽度b、安全隔离边距M、一次绕线层数d等。

在这些项目中有些是需要查表的，有些是由产品参数给定的，有此是设定的。

设计高频变压器要注意减少漏感、趋肤效应和邻近效应，因为这3条是影响变压器性能的重要因素。在开关电源指标允许的范围内，应增加一次电感L_P，减小一次峰值电流I_P和有效电流I_rms，其目的是使高频变压器在连续模式下工作，降低变压器在运行中的损耗。此外，高频变压器的漏感的电能与一次峰值电流I_P的二次方成正比，这种电能在每个开关周期内被消耗。需要知道，减小有效电流I_rms，除增大一次电感外，还必须降低钳位保护电路上的电能损耗，所以钳位保护电路上的元件要仔细选用。降低漏感、减少趋肤效应已经在变压器设计中讲了很多，先进的绕制工艺是最有效的。

选用合适的磁心材料和恰当的结构形状是保证电磁能有效传送、降低铁心发热量、提高变换效率最为重要的一环。当然大的磁心可以降低铁损，但是过大的磁心不但浪费资源，还会使脉冲传输信号产生失真、工作失调。在设计、选用磁心时要使铁心的铁损与绕在铁心上的漆包线的铜损相等、正确地使用漆包线线径、正确地选用工作频率以及占空比是提高高频变压器性能的有效措施，不要只注重输出功率与磁心截面积的直接关系，还要注重磁心的材料特性、变压器的形状（表面积与体积的比率）、表面的热辐射、允许温升、工作环境和变压器的工作频率等，不能把输出功率与变压器的大小简单地联系起来。要借助磁心生产商提供的特定磁心计算图表和某些特殊的计算公式，对高频变压器的对流冷却、工作频率和工作温度等关系曲线进行正确地选用和计算。

变压器的绕制是值得重视的，有了完好的制作材料、正确的设计数据，不一定能制造出性能最佳的高品质的高频变压器。高频变压器的绕制过程也是一门专用技术。高频变压器匝线的排列、绕线的松紧、引线的长短以及层间、匝间所垫绝缘层的材料和层数等，对决定变压器匝间分布电容、交流电感量的漏感、直流损耗、交流损耗起着非同小可的作用。尖峰电压高、纹波电流大、高频变压器发热量高与绕制变压器的工艺有直接关系。如果电路允许，采用堆叠式绕法能改善轻载时的稳压性能，降低成本，使PCB排线和引脚更加方便简单；采用“三明治”绕法能加强磁耦合能力，减少二次绕组对反馈绕组的干扰，对一次绕组的漏感起到屏蔽作用。

最后是高频变压器的屏蔽问题。高频变压器是向外发射高频电磁信号的发生源，同时也是影响电磁兼容性的一个最大的难点。仅对高频变压器来说，屏蔽显得十分重要，如果一台完好的开关电源在测试中各种技术参数都符合要求，只是电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）不符合要求，那么这台开关电源就是废品。消除这两种干扰的最好办法就是屏蔽，高频变压器的屏蔽有层间屏蔽和变压器整体屏蔽两种，这两种屏蔽对抑制电磁干扰和射频干扰是行之有效的。

如何提高高频变压器的性能？

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