变压器设计制造

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1、技术资料收藏(我的图书馆)器设计基础器设计基础2007-12-25 12:46 高频变压器的设计高频变压器的设计高频链逆变技术用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大大减小了逆变器的体积和重量。在 高频链的硬件电路设计中，高频变压器是重要的一环。设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁 导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外 加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高 的电阻率，则涡流小，铁耗小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率

2、很高，适合高频下使用，但 Bs 值比较小，常使用在开关电源中。高频变压器的设计通常采用两种方法3：第一种是先求出磁芯窗口面积 AW 与磁芯有效截面积 Ae 的乘积 AP（AP=AWAe，称磁芯面积乘积），根据 AP 值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何 参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。注意： 1）设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。2）在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重 时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于 抑制高频信号

3、对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求， 保证合适的电容和电感。 单片开关电源高频变压器的设计要点单片开关电源高频变压器的设计要点高频变压器是单片开关电源的核心部件，鉴于这种高频变压器在设计上有其特殊性，为此专门阐述降低其 损耗及抑制音频噪声的方法，可供高频变压器设计人员参考。单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，能构成高效率无 工频变压器的隔离式开关电源。在 19942001 年，国际上陆续推出了 TOtch、TOtch-、TOtch- FX、TOtch-GX、Tintch、Tintch-等多种系列的单片开关电源

4、产品，现已成为开发中、小功率开关电源、 精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件，单片开关电源中高频变压器性能的优劣，不仅 对电源效率有较大的影响，而且直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性（EMC）。为此，一个高效 率高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小 等条件。高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的。为提高效率，应尽量选择较粗的导线，并取电流密度 J=410Amm2。高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于 从表面流过，这会使导

5、线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导体 的穿透能力与开关频率的平方根成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的 2 倍。 可供选用的导线线径与开关频率的关系曲线如图 1 所示。举例说明，当 f=100kHz 时，导线直径理论上可 取 0.4mm。但为了减小趋肤效应，实际可用更细的导线多股并绕，而不用一根粗导线绕制。在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损 耗就愈大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的高频变压器，其漏感量应为次级 开路时初级电感量的 13。要想达到 1以下的

6、指标，在制造工艺上将难于实现。减小漏感时可采取 以下措施：o减小初级绕组的匝数 NP； o增大绕组的宽度（例如选 EE 型磁芯，以增加骨架宽度 b）； o增加绕组的高、宽比； o减小各绕组之间的绝缘层； o增加绕组之间的耦合程度。 电源高频变压器的设计方法电源高频变压器的设计方法设计高频变压器是电源设计过程中的难点，下面以反馈式电流不连续电源高频变压器为例， 介绍一种电源 高频变压器的设计方法。设计目标：电源输入交流电压在 180V260V 之间，频率为 50Hz，输出电压为直流 5V、14A，功率为 70W，电源工作频率为 30KHz。设计步骤：1、计算高频变压器初级峰值电流 Ipp2、求最

7、小工作周期系数 Dmin3、计算高频变压器的初级电感值 Lp4、计算出绕组面积 Aw 和铁心有效面积 Ae 的乘积 Aw*Ae,选择铁心尺寸。5、计算空气间隙长度 Lg6、计算变压器初级线圈 Np7、计算变压器次级线圈 Ns 高频变压器：整流、变压高频变压器：整流、变压在传统的高频变压器设计中，由于磁心材料的限制，其工作频率较低，一般在 20kHz 左右。随着电源技术 的不断发展，电源系统的小型化，高频化和高功率比已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。因此，研究 使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积，提高电源输出功率比的关键因素。作为开关电源最主要的组成部分，高频变压器相对于传统的工频变压

8、器有以下优点：利用铁氧体材料制成的高频变压器具有转换效率高、体积小巧的特点；而传统的工频变压器工作在 50Hz 下，输出相同功率时 需要较大的截面积而导致变压器体积庞大，不利于电源的小型化设计，而且电源转换效率也低于开关电源。电脑使用的开关电源一般采用半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生 100kHz 的高 频脉冲波，然后通过高频变压器进行降压，输出低电压的交流电。在这个电路中，开关管的最大电流对电 源输出功率的大小有一定的限制（通常应用于 300W 电源的 MOS 管体积较大，有的电源甚至使用了耐流 达到 10A 的开关管），而高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电

9、压的多少，由于工作在很高 的频率下，对元件质量的要求和线路的搭配有很高的要求。 抑制高频变压器的音频噪声抑制高频变压器的音频噪声 高频变压器 EE 或 EI 型磁芯之间的吸引力，能使两个磁芯发生位移；绕组电流相互间的引力或斥力，也能 使线圈产生偏移。 此外， 受机械振动时能导致周期性的形变。上述因素均会使高频变压器在工作时发出 音频噪声。10W 以下单片开关电源的音频噪声频率，约为 10kHz20kHz。为防止磁芯之间产生相对位移，通常以环氧树脂作胶合剂，将两个磁芯的 3 个接触面（含中心柱）进行粘 接。但这种刚性连接方式的效果并不理想。因为这无法将音频噪声减至最低，况且胶合剂过多，磁芯在受

10、机械应力时还容易折断。国外最近采用一种特殊的“玻璃珠”（glass beads）胶合剂，来粘合 EE、EI 等类 型的铁氧体磁芯，效果甚佳。这种胶合剂是把玻璃珠和胶着物按照 1：9 的比例配制而成的混合物，它在100以上的温度环境中放置 1h 即可固化。其作用与滚珠轴承有某种相似之处，固化后每个磁芯仍能独立 地在小范围内产生形变或移位，而总体位置不变，这就对形变起到了抑制作用。用玻璃珠胶合剂粘接的高 频变压器内部。采用这种工艺可将音频噪声降低 5dB。 高频变压器的屏蔽高频变压器的屏蔽 为防止高频变压器的泄漏磁场对相邻电路造成干扰，可把一铜片环绕在变压器外部，该屏蔽带相当于短路 环，能对泄漏磁

11、场起到抑制作用，屏蔽带应与地接通。 基本知识基本知识将两个线圈靠近放在一起，当一个线圈线中的电流变化时，穿过另一线圈的磁通会发生相应的变化，从而 使该线圈中出现感应电势，这就是互感现象。变压器变压器就是根据互感原理制成的。按工作频率分，有高频变压器、中频变压器、低频变压器、脉冲变压器。如收音机的磁性天线，它是高频； 在收音机的中频放大级，用的是中频的，俗称“中周”；低频的种类较多，有电源变压器、输入变压器等； 电视机的行输出变压器，也称“高压包”，它是一种脉冲变压器。变压比、额定功率、温升、效率、空载电流、绝缘电阻均为其主要技术参数。在电路中电压变换、电流变换、传递功率、阻抗匹配、或阻抗变换等

12、用途。 电子变压器在电源技术中的作用电子变压器在电源技术中的作用 作用作用电子变压器和半导体开关器件，半导体整流器件，电容器一起，称为电源装置中的 4 大主要元器件。它在 电源装置中的作用：o起电压和功率变换作用； o起传递宽带、声频、中周功率和信号作用； o起传递脉冲、驱动和触发信号作用； o起原边和副边绝缘隔离作用； o起单相变三相或三相变单相作用，起改变输出相位作用； o起改变输出频率作用； o起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用； o起稳定输出电压或电流作用，起调节输出电压作用； o起交流和直流滤波作用； o起抑制电磁干扰作用，起抑制噪声作用； o起吸收浪涌电流作用，减缓电流变化速率；

13、o起储能作用，起帮助半导体开关换向作用； o起开关作用； o起调节电感作用； o起变换电压、电流或脉冲检测信号。 从以上的列举可以看出，不论是直流电源，交流电源，还是特种电源，都离不开电子变压器。有人把电源 界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源。在介绍软磁电磁元件在电源技术中的作用时，往往举高 频开关电源中的各种电磁元件为例证。同时，在电子电源中使用的软磁电磁元件中，各种变压器占主要地 位，因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代表，称它们为“电子变压器”。 绕制变压器的材料绕制变压器的材料要绕制一个变压器我们必须对有关的材料要有一定的认识，下面为你提供了这方面的知识。1、铁心材料：使用的

14、铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，的钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可 减少涡流，使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很 大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度 B 来表示，一般黑铁片的 B 值为 6000-8000、低硅片为 9000- 11000，高硅片为 12000-16000。2、通常用的材料有漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能， 并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用 Q2 型号的高强度的聚脂漆包线。3、绝缘材料在绕制过程中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使

15、用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚 醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离，绕阻间可用黄腊布作隔离。4、浸渍材料：绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使 用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料。 高频电源变压器的设计原则高频电源变压器的设计原则 高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此其设计原则和其他商品一样，是在具体使用条 件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在， 轻、薄、短、小，成为它的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在

16、这方面下功夫。如果能认真考虑一下它的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到 10VA 的单片开关 电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性 能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能 不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。 产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因此，为了节约时间，根据以往 的经验，对它的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考 数据，对窗口填充程度，绕组导线和结构推荐一些方案，有什么不好？为什么一定要按步就班地来回进行 推算和仿真，才不是概念错误？作者曾在 20 世纪 80 年代中开发高频磁放大器式开关电源，以温升最低为 条件，对高频电源变压器变压器进行过优化设计。由于热阻难以确定，结果与试制样品相差甚远，不得不再次修 正。现在有些公司的磁芯产品说明书中，为了缩短用户设计的时间，有的列出简化的设计公式，有的用表 列出磁芯在某种工作频率下的传送功率。这种既为用