高頻電源變壓器的設計原則，要求和程序

摘要：從高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品（即商品）出發(fā)，說(shuō)明了它的設計原則和要求，并介紹了它的設計程序。

關(guān)鍵詞：高頻電源變壓器；設計原則；設計要求；設計程序

1 前言

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)中得到廣泛的應用。根據傳送功率的大小，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，電源變壓器的設計也不一樣，應當是不言而喻的。有人根據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)方面的權威機構來(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原理，但是電力變壓器既強調功率傳送大，又強調絕緣隔離電壓高，無(wú)論在磁芯線(xiàn)圈，還是絕緣結構的設計上，都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著(zhù)的差別，更不能將電力變壓器設計的優(yōu)化設計條件生搬硬套地應用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設計方法不一樣，也應當是不言而喻的。

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計方法不一樣，也應當是不言而喻的。

如上所述，作者對高頻電源變壓器的設計原則、要求和程序不存在錯誤概念，而是在2003年7月初，閱讀《電源技術(shù)應用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設計文章后，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，是嘗試把最難詳細說(shuō)明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設計問(wèn)題弄清楚。如有說(shuō)得不對的地方，敬請幾位作者和廣大讀者指正。

2 高頻電源變壓器的設計原則

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計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?，F在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強調降低成本。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“設計要點(diǎn)”一文中，只談性能，不談成本，不能不說(shuō)是一大缺憾，如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則，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，應當設計出更輕、薄、短、小的方案來(lái)。不談成本，市場(chǎng)的價(jià)值規律是無(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“節能不節錢(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，設計成本。因此，為了節約時(shí)間，根據以往的經(jīng)驗，對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據，對窗口填充程度，繞組導線(xiàn)和結構推薦一些方案，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，才不是概念錯誤？作者曾在20世紀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，對高頻電源變壓器進(jìn)行過(guò)優(yōu)化設計。由于熱阻難以確定，結果與試制樣品相差甚遠，不得不再次修正?，F在有些公司的磁芯產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中，為了縮短用戶(hù)設計高頻電源變壓器的時(shí)間，有的列出簡(jiǎn)化的設計公式，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(zhù)想，又推廣公司產(chǎn)品的雙贏(yíng)行為，是完全符合市場(chǎng)規律的行為，絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問(wèn)題是提供的參考數據，推薦的方案是否是經(jīng)驗的總結？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，才能站得住腳。

總之，千萬(wàn)記?。焊哳l電源變壓器是一種產(chǎn)品（即商品），設計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。檢驗設計的唯一標準是設計出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗。

3 高頻電源變壓器的設計要求

以設計原則為出發(fā)點(diǎn)，可以對高頻電源變壓器提出4項設計要求：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容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現在由于環(huán)境保護意識增強，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)的各種參考數據。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℃，相當于A(yíng)級絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線(xiàn)和絕緣件，一般都采用E級和B級絕緣材料，采用H級絕緣的三重絕緣電磁線(xiàn)和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因為H級絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設計方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?如果是，請舉具體實(shí)例數據。作者曾開(kāi)發(fā)H級絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器，與B級絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器相比，體積減小15％到20％，已經(jīng)相當可觀(guān)了。本來(lái)體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器，如次級繞組采用三重絕緣線(xiàn)，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗。請有關(guān)作者詳細介紹優(yōu)化設計方案，以便廣大讀者學(xué)習。

電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾，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λ_S為21×10^－6，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導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線(xiàn)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，請給出實(shí)例與數據以及對噪聲原因的詳細說(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，在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當采取相應的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因為它只能阻止輻射干擾，不能阻止傳導干擾。