高频变压器计算

技术讲座 Technology Lecture铁氧体磁心高频变压器设计（二）High Frequency Transformers Design base on Ferrite core王全保中图分类号：TM4文献标识码：B文章编号：1606-7517（2007）09-08-1403 高频变压器设计基础与电源变压器不同，高频变压器工作在放大器电路中，是放大器的组成部分。而且，工作在有一定带宽的频段上，其参数与放大器电路参数有关。因此，分析与设计高频变压器时，必须与放大器电路相结合，并根据其特点确定电参数。3.1 高频变压器的主要作用3.1.1 阻抗匹配变换信号电压，使前、后级放大器达到阻抗匹配，保证信号不失真、高效的传输。3.1.2 隔离使用高频变压器可将两个电路隔离。3.1.3 倒相通过改变变压器的极性，使输出信号的相位与输入信号的相位相反；或变为两个大小相等、相位相反的信号。3.1.4 多路信号迭加或分解利用变压器可将两路或多路信号相迭加，或将一个信号分成几个信号传输给负载。3.2 高频变压器的等效电路高频变压器的主要作用是将某一量值的阻抗变换成另一量值，使两个电路间达到阻抗匹配或使放大器获得最佳负载阻抗。利用变压器所得到的阻抗，与一个具体的电阻不同，它是包含了变压器自身参数（自感、漏感、分布电容、铜阻）在内的一个网络，其电抗成分会随着频率的变化而变化。在不同频率下的各种电路中，变压器可等效为一个具体的网络，称为等效电路。图为高频变压器的等效电路，它与电源变压器等效电路的区别在于补充了电源内阻 ，并把初、次级漏感合并在一起用 表示，定义为初次级总漏感。图中：初级铜阻；换算到初级的次级铜阻；初级分布电容；换算到初级的次级分布电容；初级自感（）；次级短路，从初级端测得的漏感（）；电子管或晶体管内阻；换算到初级的次级负载电阻；铁损分量等效电阻；信号源电压（）；换算到初级的次级电压（）。图基本上反映了高频变压器的各个参数，但直接用来进行计算是有一定困难的，也是不符合实际的，需要区别不同情况加以简化。通常将工作频带分成低、中和高三个频段，把信号源内阻与负载电阻分为高阻和低阻，在各2007.09Technology Lecture 技术讲座等效电路，主要用于晶体管放大电路。由图可见，随着频率升高，漏感抗增大，使输出电压下降，因此，漏感的大小直接影响变压器的高频特性。当为低阻、为高阻时，忽略、不能忽略，得到图所示的等效电路。对于升压比较高的输入变压器，由于不能忽略，故其等效电路也为图。由图可见，、组成串联谐振电路，在谐振点附近，输出电压会有剧烈的起伏，因此，回路的谐振特性影响高频变压器在高频段的特性。3.3 高频变压器的输入阻抗及其频率特性当变压器次级接上负载阻抗时，经阻抗变换后，从初级端看，呈现在初级两端子之间的阻抗为，我们称为变压器初级输入阻抗。对放大器而言，变压器的初级输入阻抗就是放大器的负载阻抗，即，如图所示。对每一个放大器，都存在着一个最佳负载。在最佳负个频段上，将、 所呈现的阻抗与、进行比较，在串联参数中，忽略远小于、的参数，在并联参数中，忽略远大于、的参数。由此可得到低频、中频、高频三个频段，高阻电路和低阻电路两种情况的简化等效电路。在实际应用中，由于大多数电路为使用半导体器件的电路，、均为低阻，因此，在实际应用中，常用的等效电路为四种，见图、图、图和图。由图电路可知，在低频段，的感抗随频率下降而下降，的大小直接影响输出电压的大小。因此，是决定高频变压器的低频段特性的重要参数。由图电路可见，在中频段，只有与频率无关的电阻成分，输出电压与输入电压之间的关系仅是简单的电阻分压关系。在高频段，当、均为低阻时，、可以忽略，得到图所示的等效电路。这是最常用的一种高频载时，放大器的输出功率最大，电压的波形失真最小。若偏离最佳负载，则输出功率减小，电压的波形失真增大。如图。所以，我们希望变压器的输入阻抗等于放大器最佳负载阻抗 ，偏离会加大波形失真。为使放大器不产生过大的波形失真，负载阻抗即变压器输入阻抗的变化范围要加以限制，一般不超过的范围。2007.09141技术讲座 Technology Lecture号频率，得到各种不同频率下变压器输出电压与中间频率（简称为中频）下的输出电压之比，称为变压器的频率幅度特性，又称频率响应或频率失真。为表示其相对关系，常用失真系数来表示，并可按下式计算式中频率失真系数（）；变压器在中间频率时的输出电压（）；f变压器在某一频率下的输出电压（）。、均为低阻的等效电路（图、和）时的频率响应曲线见图，而图等效电路的频率响应曲线见图。由于变压器等效电路中存在电抗部分，引起输入阻抗随频率而变化。输入阻抗的相对变化量与频率的关系曲线称为输入阻抗频率特性曲线。图为、均为低阻的等效电路（图、和）时的输入阻抗频率特性曲线。由图可见，在低频段，当工作频率f下降时，输入阻抗下降，但大的比小的下降慢；在高频段，当工作频率f上升时，输入阻抗上升，但小的比大的上升慢。为控制放大器的波形失真，变压器需从输入阻抗允许变化量的角度来计算自感和漏感。在图的等效电路中， 和构成串联谐振回路，在谐振频率f附近，输入阻抗会出现谷点，其起伏程度与回路值有关，如图所示。3.4 频率幅度特性变压器所在的放大器，输入信号的幅度固定，改变信3.5 设计高频变压器所需的电路参数和变压器的主要技术要求3.5.1 阻抗信号源内阻；变压器初级输入阻抗及允许变化范围；次级负载阻抗或匝数比。3.5.2 电压或功率输入电压；输出功率。1422007.09Technology Lecture 技术讲座3.5.3 工作情况和电路图放大器工作状态（甲类、甲乙类、乙类）；直流电压和电流；电路图。3.5.4 变压器技术指标频率特性；效率；屏蔽要求；温升；其它特殊要求。3.6 高频变压器的基本计算公式3.6.1 匝数比一般变压器输入变压器式中：初级匝数，推挽变压器初级两臂总匝数；次级匝数；单端放大器负载阻抗（），；推挽放大器一臂至另一臂负载阻抗（），；、次级分布电容（）和换算到初级的次级分布电容（）；变压器效率，（），当未给出效率时，可参照图确定。3.6.2 铜阻甲类放大器用变压器式中初级铜阻（）；次级铜阻（）。乙类放大器用变压器当按热效应选择导线时，初级两臂总铜阻为（）次级总铜阻为对于小功率晶体管放大电路，虽为乙类放大，但因电流很小而不考虑其发热时，铜阻可按“甲类放大器用变压器”公式计算。3.6.3初次级回路电阻、等效电阻初级回路电阻甲类单边放大电路用变压器甲类推挽电路用变压器（每臂）乙类推挽电路用变压器（每臂）次级回路电阻（甲类单边放大电路）或（乙类单边、推挽电路）等效电源电阻（）电阻比3.6.4初次级电压已知输入电压（）次级电压（）为初级电势（）已知输出功率次级电压为2007.09143技术讲座 Technology Lecture式中次级电压（）；输出功率（）；负载电阻（）。初级电压为初级电势（）3.6.5 低频段（图9所示的等效电路）输入阻抗和频率特性计算输入阻抗式中反射到初级的次级回路电阻（）；最低工作频率（）；最小初级自感（）。频率特性变压器初级总漏感（）。频率特性式中：低频时的放大倍数；中间频率时放大倍数；等效电源电阻（）。令式中：高频时的放大倍数；初级回路电阻（）。令输入阻抗与的关系曲线见图，频率特性与的关系曲线见图。3.6.6 高频段（图11所示的等效电路）输入阻抗和频率特性计算输入阻抗式中f最高工作频率（）；输入阻抗与的关系曲线见图，频率特性与的关系曲线见图。3.6.7高频变压器初级电感L1计算按输入阻抗的允许变化确定初级电感按值查图得值，则初级电感为1442007.09Technology Lecture 技术讲座例如，当输入阻抗允许变化量为时，由查图得，故初级总漏感为f按频率响应计算初级总漏感按要求的频率响应值（分贝数）查图得值，则漏感为例如，当频率响应允许为时，由图得，则漏感为（）f比较以上两计算结果，取小的值作为变压器允许的初级总漏感的最大值。4 单频或窄频级高频变压器设计4.1 适用范围所谓窄频级高频变压器是指工作频带较窄，其高低端频率之比不大于的高频变压器。当在一个频率下工作时则为单频变压器。这类变压器由于频带较窄，变压器的分例如，当输入阻抗允许变化量为时，由查图得，故初级电感为f按频率响应计算初级电感按要求的频率响应值（分贝数）查图得值，则初级电感为例如，当频率响应允许为时，由图查得，则初级电感为f比较以上两计算结果，取大的值作为变压器允许的初级电感的最小值。3.6.8高频变压器初级总漏感LS计算按输入阻抗的允许变化确定初级总漏感按值查图得值，则漏感为布参数（漏感和分布电容）对电性能的影响较小或可以忽略。4.2变压器主要技术参数效率；初级电感；漏感（当为单频工作时可忽略）；变压比。4.3电气计算步骤按给定效率计算变压器铜阻、。计算变压器变压比。按输入阻抗和频率响应计算变压器初级电感。对于单频工作的高频变压器，可按（）来确定，即2007.09145技术讲座 Technology Lecture式中：初级电感（）；反射到初级的次级负载阻抗（）；f工作频率（）。按输入阻抗和频率响应计算变压器初级总漏感。当变压器为单一频率时，按输入阻抗确定漏感。4.4 选铁心4.4.1按变压器初始磁导率0和结构常数AT选择磁芯尺寸适用对象：无直流磁化，工作磁感应强度很低的高频变压器。计算步骤）按下式计算结构常数式中：变压器结构常数（）；窗口利用系数，初步计算时取；变压器磁心的初始磁导率，按所使用的磁性材料和磁心的型式从产品样本中查得。型和型磁心的常用值见表。表型和型磁芯的常用值4.5.1无直流磁化，工作磁感应强度很低的小功率高频变压器初级匝数式中：变压器初级电感（）；磁芯系数（）；磁芯的初始磁导率。次级匝数 n4.5.2有较小的直流磁化电流，工作磁感应强度较低的小功率高频变压器初级匝数式中：变压器初级电感（）；磁芯系数（）；磁芯的有效磁导率。次级匝数 n4.6计算导线直径磁心尺寸或以下或以上初级导线直径注：材料的初始磁导率为。）按算得的结构常数查磁芯参数表（表表）选择数据相近的磁芯。4.4.2 按变压器有效磁导率e和结构常数AT选择磁芯尺寸适用对象：有较小的直流磁化电流，工作磁感应强度较低的高频变压器。计算步骤）按下式计算结构常数式中变压器磁芯的有效磁导率，按所选用磁芯的型式和电感系数值从产品样本中选取。）按算得的结构常数查磁芯参数表（表表）选择数据相近的磁芯。4.5线圈匝数计算次级导线直径式中初级导线直径（）；次级导线直径（）；线圈平均匝长（），查表表。由、查线规表，选择标准直径，并查得带绝缘外径、及每千米铜阻和铜重。4.7漏感计算对壳式结构（、罐形、和型）变压器，可按下式计算变压器初级总漏感1462007.09Technology Lecture 技术讲座式中初级总漏感（）；初级总匝数；组间绝缘厚度（）；初级绕组总厚度（）；次级绕组总厚度（）；初次级平均绕线宽度（）；漏磁势组数，由间绕方式决定，常用间绕方式见图。4.8 分布电容计算4.8.1 分布电容的组成初次级绕组对磁芯的分布电容、；初次级层间电容、；初、次级绕组间的分布电容、。4.8.2分布电容的换算所有分布电容均换算到初级；各部分分布电容换算到初级后是并联的；初级总分布电容在漏感的左侧；次级换算到初级的总分布电容在漏感的右侧。4.8.3分布电容计算公式静电容计算如下式式中静电容（）。指层间、，组间、和对磁芯、；被计算电容极板相对面积（）；绕线宽度极板平均匝长被计算电容两极板间距离（）；绝缘层厚度导线漆层厚度绝缘材料的介电常数。初、次级层间有效电容、计算（）（）（）（）式中初级有效电容（）；次级有效电容（）；初级层间静电容（）；次级层间静电容（）；初级总层数；次级总层数；由间绕方式决定的漏磁势组数。绕组对磁芯、绕组间有效电容式中：指、和、（）；与上述相应位置的静电容（）；被计算电容两电极间一端的电位差（）；被计算电容两电极间另一端的电位差（）。总电容4.9 电气特性核算经结构计算得到的铜阻、自感量、漏感、分布电容的实际值，按前述公式核算输入阻抗、频率特性等，实际达到的指标应符合相应的技术要求。2007.09147