高频变压器规范讲义

高频变压器规范讲义hanson5/1507规范文档结构第一部分磁基本原理及磁材料特性第二部分高频功率变压器特性第三部分高频开关式电源功率变压器理解与设计第一部分磁基本原理及磁材料特性类别类别名称名称磁导率磁导率饱和磁饱和磁通密度通密度Bs(GS)应用频率应用频率fmax(KHz)应用上的关键特性应用上的关键特性（普遍性）（普遍性）金属铁金属铁芯芯硅钢片（SiliconSteel）18002000010高（某些）；高Bs；低；铁损高；宜低频工作坡莫合金（Permalloy）20000750030超级坡莫合金（Supermalloy）100，000780030钴铁合金（Permendur）80024，50030铁铁粉粉磁磁芯芯碳基铁粉芯（CarbonyIron）31209000300，000低；高Bs；高；铁损一般；宜中高频铝硅铁粉芯（Sendust）108090001000钼坡莫合金铁粉芯（）141458000300非非晶晶态态合合金金铁基非晶（NACRF2），铁镍基非晶（NACRFN），钴基非晶（NACRC068），超微晶（NACRNb）等100，00015，0001000优越的综合特征参数；超低铁损；高端领域应用铁氧体铁氧体铁芯铁芯锰锌铁氧体（MnZnFerrite）10001800050001000中等；低Bs；高；铁损低；宜高频使用；价价格低廉镍锌铁氧体（NiZnFerrite）155003000100，000第一部分磁基本原理及磁材料特性性能因子（性能因子（Performance Factor PFfBmax）软磁材料的饱和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限，常常是铁损限制了工作磁通密度的上限铁损限制了工作磁通密度的上限。所以，在新的电源变压器用软磁铁氧体材料分类标准中，把允许的工作磁通密度和工作频率乘积Bf，作为材料的性能因子，并说明在性能因子条件下允许的损耗值。磁损耗构成磁损耗构成1）磁滞损耗（HysteresisLoss）2）涡流损耗（EddyCurrentLoss）3）剩余/共振损耗（ResidualLoss）损耗密度的成分和温度特性（400KHz&0.05T）如果不考虑温度变化，总损耗可以用以下经验公式表示开关电源中磁材料的应用场合开关电源中磁材料的应用场合第二部分高频功率变压器特性实际变压器模型实际变压器等效电路模型实际变压器等效电路模型从输入侧看的实际变压器从输入侧看的实际变压器等效电路模型等效电路模型第二部分高频功率变压器特性窗口利用系数窗口利用系数Kcu根据一些公式推导及实际经验，对于E型铁芯，Kcu一般具有如下特性：l普通单端输入输出常用变压器具有0.40.6之间的Kcu值；l多组输出的变压器，或需要更高绝缘的变压器，窗口利用率会略有减小，Kcu值会略有减小；l为解决漏感或EMI问题进行的绕组并联或分段串联、添加法拉第屏蔽层等措施，Kcu值会因此而略有减小；l圆型中柱的铁芯可以帮助提高窗口的利用率，Kcu值会略有增加；l扁平铜箔替代圆形绕线可以帮组提高窗口利用率，Kcu值会略有增加；l扁平窗口结构（窗口宽lwlh）相对与其对立者具有更好的窗口利用率，Kcu值会略有增加。第二部分高频功率变压器特性趋肤效应（趋肤效应（Skin Effect）趋肤深度定义：电流密度从最密处（外表层）递减到1/e处的径向深度。深度的数量值反应了电流密度分配不均的严重程度，或者是导线的交流电阻量。工程上还近似认为交流电只在这个径向值内流动，或者说交流电阻量就是这径向值的截面量。206.6/(f)1/2（cm）1007.65/(f)1/2（cm）F是正弦频率，如为其它波形需换算经验公式：方波正弦波0.7（如下常用频率情况）趋肤效应下线经选择的建议：趋肤效应下线经选择的建议：（1）一些经验显示，尽可能使用细小线经可以对损耗（以温升作为衡量）有所改善。故一些文章中的尽量使用小线经的建议是可以考虑的。但须是在在不不增增加加绕绕层层的的前前提提下下因为绕层增加引起的邻近效应带来的损耗增加量远大于减小线经带来的损耗改善（见后续介绍）。（2）约10A以上的大电流绕组可以考虑使用铜使用铜箔或者箔或者LitzLitz线代替线代替AWGAWG圆形绕线圆形绕线。铜箔厚度以上面计算方法估算。邻近效应（邻近效应（Proximity Effect）邻近效应也是交变电流产生的磁场所致，但与趋肤效应有所不同：邻近效应是导电体对周围导体的影响。在变压器或电感分析中，其用于分析导电导电层之间的相互影响层之间的相互影响变压器每一绕线层可以看作一个导电层（由各匝相互紧挨的一层绕线或是铜箔既构成一个导电层）。曲线及系数应用：曲线及系数应用：h：导电层有效高度。对于圆形导线构成得导电层h=；对于方形导体或箔片导体构成的导电层h=h。Fl：导电层系数。对于圆形导线构成得导电层Fl（Nper_layer是每导电层的匝数，d是圆导线有效导电直径不包括漆包层等绝缘之用的厚度，w是导电层宽度）；对于箔片形导Fl1。Fl系数反应的是同一导电层上各匝之间相互挨靠的紧凑程度（0 Fl1）。：趋肤深度。P：磁动势mmf从零到峰值区间包含的层数。例如对于初次级绕组每一层都进行了交错的情况P1；对于同一层里一半为初级一半为次级的情况P0.5。通过改变绕层的交错方式即可改变P系数。Lleak公式表达了各物理量之间的关系：1）某一绕组的漏感量正比于改组匝数的平方；2）漏感与初次级交界数量（P）的平方成反比；3）初次级间的间距（Binter）致使的漏感量是导电层厚度（Blayer）作用的3倍；漏感量与磁窗高度（hw）成反比，而与磁窗平均周长lw成正比。漏感漏感变压器绕线的绝缘及安规变压器绕线的绝缘及安规第三部分高频开关式电源功率变压器理解与设计设计约束1）磁材料不饱和；2）温升不超规（磁芯和铜线损耗可控）；3）满足工艺和安规要求。第三部分高频开关式电源功率变压器理解与设计基本设计步骤1）磁芯的选择（包括材质、几何形状、几何尺寸等）；2）绕组匝数及匝比的计算及实际调整；3）实际匝数及匝比条件下的再验算；4）变压器样品的测试及调整。磁芯选择磁芯理论选择方法AP法磁芯尺寸表达了其传递能量的能力（PowerHandlingCapacity），由其参数APAwAe表达。对于不同的电路拓扑，AP公式具有如下的通用表达式：Po(h,l,Ae,Wa,Fs,Bac,J,Kcu)hl(AeWa)(FsBac)(JKcu)AP公式各参数的含义：公式各参数的含义：Po电路的最终输出功率要求h电路的效率预计变压器的初级单侧绕线截面积在总绕线截面积中的占有系数l变压器电流波形系数FsBac磁芯磁化频率及磁通摆幅量之积，它决定了磁芯的一个最大考虑因素损耗密度JKcu绕组的有效值电流密度及绕组的总磁窗占有率AeWa磁芯磁路截面积与窗口面积在选定电路拓扑（h 确定），磁芯材质已知（Bac_Max确定），温升约束确定（FsBac，JKcu）条件下，设计输入Po完全可由AeWa确定。设计范例参见规范附件设计范例参见规范附件