功率變壓器的要求 - 開關(guān)電源功率變壓器特性、參數(shù)、要求和材料選擇以及設(shè)計(jì)方法

開關(guān)電源的工作頻率較高，要求磁心材料在工作頻率下的功率損耗應(yīng)盡可能小，隨著工作溫度的升高，飽和磁通密度的降低應(yīng)盡量小。在設(shè)計(jì)和選用磁心材料時，除了關(guān)心其飽和磁通密度、損耗等常規(guī)參數(shù)外，還要特別注意它的溫度特性。一般應(yīng)按實(shí)際的工作溫度來選擇磁通密度的大小，一般鐵氧體磁心的Bm值易受溫度影響，按開關(guān)電源工作環(huán)境溫度為40℃考慮，磁心溫度可達(dá)60～80℃，一般選擇Bm=0.2～0.4T，即2000～4000GS。

（4）合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)上看，有下列幾個因素應(yīng)當(dāng)給予考慮：

漏磁要小，減小繞組的漏感；

便于繞制，引出線及變壓器安裝要方便，以利于生產(chǎn)和維護(hù)；

便于散熱。

4、磁心材料的選擇

軟磁鐵氧體，由于具有價格低、適應(yīng)性能和高頻性能好等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。

軟磁鐵氧體，常用的分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體兩大系列，錳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要應(yīng)用在1MHz以下的各類濾波器、電感器、變壓器等，用途廣泛。而鎳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。

在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的是錳鋅鐵氧體磁心，而且視其用途不同，材料選擇也不相同。用于電源輸入濾波器部分的磁心多為高導(dǎo)磁率磁心，其材料牌號多為R4K～R10K，即相對磁導(dǎo)率為4000～10000左右的鐵氧體磁心，而用于主變壓器、輸出濾波器等多為高飽和磁通密度的磁性材料，其Bs為0.5T（即5000GS）左右。

開關(guān)電源用鐵氧體磁性材應(yīng)滿足以下要求：

（1）具有較高的飽和磁通密度Bs和較低的剩余磁通密度Br

磁通密度Bs的高低，對于變壓器和繞制結(jié)果有一定影響。從理論上講，Bs高，變壓器的繞組匝數(shù)可以減小，銅損也隨之減小。

在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)電源高頻變換器的電路形式很多，對于變壓器而言，其工作形式可分為兩大類：

1）雙極性。電路為半橋、全橋、推挽等。變壓器一次繞組里正負(fù)半周勵磁電流大小相等，方向相反，因此對于變壓器磁心里的磁通變化，也是對稱的上下移動，B的最大變化范圍為△B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。

2）單極性。電路為單端正激、單端反激等，變壓器一次繞組在1個周期內(nèi)加上1個單向的方波脈沖電壓（單端反激式如此）。變壓器磁心單向勵磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之間變化，見圖7，這時的△B=Bm－Br，若減小Br，增大飽和磁通密度Bs，可以提高△B，降低匝數(shù)，減小銅耗。

（2）在高頻下具有較低的功率損耗

鐵氧體的功率損耗，不僅影響電源輸出效率，同時會導(dǎo)致磁心發(fā)熱，波形畸變等不良后果。

變壓器的發(fā)熱問題，在實(shí)際應(yīng)用中極為普遍，它主要是由變壓器的銅損和磁心損耗引起的。如果在設(shè)計(jì)變壓器時，Bm選擇過低，繞組匝數(shù)過多，就會導(dǎo)致繞組發(fā)熱，并同時向磁心傳輸熱量，使磁心發(fā)熱。反之，若磁心發(fā)熱為主體，也會導(dǎo)致繞組發(fā)熱。

選擇鐵氧體材料時，要求功率損耗隨溫度的變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。這是因?yàn)椋偃绱判膿p耗為發(fā)熱主體，使變壓器溫度上升，而溫度上升又導(dǎo)致磁心損耗進(jìn)一步增大，從而形成惡性循環(huán)，最終將使功率管和變壓器及其他一些元件燒毀。因此國內(nèi)外在研制功率鐵氧體時，必須解決磁性材料本身功率損耗負(fù)溫度系數(shù)問題，這也是電源用磁性材料的一個顯著特點(diǎn)，日本TDK公司的PC40及國產(chǎn)的R2KB等材料均能滿足這一要求

（3）適中的磁導(dǎo)率

相對磁導(dǎo)率究竟選取多少合適呢？這要根據(jù)實(shí)際線路的開關(guān)頻率來決定，一般相對磁導(dǎo)率為2000的材料，其適用頻率在300kHz以下，有時也可以高些，但最高不能高于500kHz。對于高于這一頻段的材料，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率偏低一點(diǎn)的磁性材料，一般為1300左右。

（4）較高的居里溫度

居里溫度是表示磁性材料失去磁特性的溫度，一般材料的居里溫度在200℃以上，但是變壓器的實(shí)際工作溫度不應(yīng)高于80℃，這是因?yàn)樵?00℃以上時，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時的70％。因此過高的工作溫度會使磁心的飽和磁通密度跌落的更嚴(yán)重。再者，當(dāng)高于100℃時，其功耗已經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會導(dǎo)致惡性循環(huán)。對于R2KB2材料，其允許功耗對應(yīng)的溫度已經(jīng)達(dá)到110℃，居里溫度高達(dá)240℃，滿足高溫使用要求。

5、開關(guān)電源功率變壓器的設(shè)計(jì)方法

5.1、雙極性開關(guān)電源變壓器的計(jì)算