高頻變壓器的原理分析

1　高頻變壓器的技術(shù)

電力設(shè)備 變壓器 電子變壓器 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(yīng)用。根據(jù)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(shè)計(jì)也不一樣，應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。有人根據(jù)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(xiàn)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(quán)威機(jī)構(gòu)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(tǒng)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(yīng)原理，但是電力變壓器既強(qiáng)調(diào)功率傳送大，又強(qiáng)調(diào)絕緣隔離電壓高，無(wú)論在磁芯線圈，還是絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別，更不能將電力變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)條件生搬硬套地應(yīng)用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設(shè)計(jì)方法不一樣，也應(yīng)當(dāng)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(jī)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(shè)計(jì)方法不一樣，也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。 

如上所述，作者對(duì)高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則、要求和程序不存在錯(cuò)誤概念，而是在2003年7月初，閱讀《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設(shè)計(jì)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(yīng)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(xì)說(shuō)明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)問(wèn)題弄清楚。如有說(shuō)得不對(duì)的地方，敬請(qǐng)幾位作者和廣大讀者指正。 

2　高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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。現(xiàn)在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強(qiáng)調(diào)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(shè)計(jì)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(rèn)真考慮一下高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)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(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出更輕、薄、短、小的方案來(lái)。不談成本，市場(chǎng)的價(jià)值規(guī)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(jié)能不節(jié)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(shè)計(jì)成本。因此，為了節(jié)約時(shí)間，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(shù)據(jù)，對(duì)窗口填充程度，繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)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(cuò)誤?作者曾在20世紀(jì)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(duì)高頻電源變壓器進(jìn)行過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于熱阻難以確定，結(jié)果與試制樣品相差甚遠(yuǎn)，不得不再次修正。現(xiàn)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(shè)計(jì)高頻電源變壓器的時(shí)間，有的列出簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)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)著想，又推廣公司產(chǎn)品的雙贏行為，是完全符合市場(chǎng)規(guī)律的行為，絕不是什么需要辨析的錯(cuò)誤概念。問(wèn)題是提供的參考數(shù)據(jù)，推薦的方案是否是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)?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(yàn)，才能站得住腳。 

總之，千萬(wàn)記住：高頻電源變壓器是一種產(chǎn)品(即商品)，設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗(yàn)。 

3　高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求 

以設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn)，可以對(duì)高頻電源變壓器提出4項(xiàng)設(shè)計(jì)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(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，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(duì)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(duì)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(dǎo)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(shù)據(jù)。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(dāng)于a級(jí)絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件，一般都采用e級(jí)和b級(jí)絕緣材料，采用h級(jí)絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜，是不是大材小用?成本增加多少?是不是因?yàn)閔級(jí)絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?如果是，請(qǐng)舉具體實(shí)例數(shù)據(jù)。作者曾開(kāi)發(fā)h級(jí)絕緣工頻50hz，10kva干式變壓器，與b級(jí)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(dāng)可觀了。本來(lái)體積就比較小的高頻100khz10va高頻電源變壓器，如次級(jí)繞組采用三重絕緣線，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對(duì)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(shù)λs為21×10-6，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導(dǎo)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(dǎo)線之間的斥力。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(qǐng)給出實(shí)例與數(shù)據(jù)以及對(duì)噪聲原因的詳細(xì)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(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因?yàn)樗荒茏柚馆椛涓蓴_，不能阻止傳導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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?chǔ)存起來(lái)，然后通過(guò)去磁使副繞組感應(yīng)電壓，變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率決定于電感磁芯儲(chǔ)能，而儲(chǔ)能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)，磁導(dǎo)率高，電感量大，儲(chǔ)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(shù)不一樣，但是在高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中，磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。在電源變壓器“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，很遺憾缺少這一個(gè)主要內(nèi)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(dǎo)率，而提bac弄不清楚。經(jīng)查閱，在《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1/2期，同一主要作者寫(xiě)的開(kāi)關(guān)電源“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，列出了“磁芯的選擇”，也沒(méi)有提磁導(dǎo)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(hào)?兩文中都沒(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(shù)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(shù)比，只要不改變?cè)褦?shù)比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān)。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比。有趣的是，漏感能不能規(guī)定一個(gè)數(shù)值?《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著不同的說(shuō)法。“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中說(shuō)：“對(duì)于一符合絕緣及安全標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級(jí)開(kāi)路時(shí)初級(jí)電感量的1%～3%”。“辨析”一文中說(shuō)：“在很多技術(shù)單上，標(biāo)注著漏感=1%的磁化電感或漏電。