高频电源变压器磁芯的设计原理.docx

高频电源变压器磁芯的设计原理 2005-10-12 E 道理电子技术工作室 摘 要：开关电源正向高频化发展，作为主变压器使用的软磁铁氧体磁芯，从材料性 能、尺寸形状等均应作相应改进 。讨论了磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻 系数等参数，并提出了降低材料高频损耗的微观设计方法 。 关键词：开关电源变压器；磁芯；损耗通过功率；性能因子；热阻 1、引言 电子信息产业的迅速发展，对高频开关式电源不断提出新的要求 。据报导，全球开关 电源市场规模已超过 100 亿美元[1] 。通信、计算机和消费电子产品是开关电源的三大主 力市场 。庞大的开关电源市场主要由 AC/DC 和 DC/DC 开关电源两部分组成 。据预测， AC/DC 开关电源全球销售收入将从 1999 年的 91 亿美元增加到 2004 年的 122 亿美元，年 平均增长率为 5.9% 。低功率（0～300W）的 AC/DC 将面向增长平稳的消费电子产品和计算 机市场；大功率（750～1500W）的 AC/DC 电源将面向增长强劲的电信市场 。DC/DC 电源约 占整个开关电源市场的 30%，但计算机与通信技术的快速融合，带动了 DC/DC 模块式电源 的迅速增长 。预计今后几年，DC/DC 电源模块增长速度将超过 AC/DC 电源，有人估计，中 国今后五年，DC/DC 电源模块市场年增长将达 15%，增长主要是在电信领域 。开关式电源 技术发展趋势是高密度、高效率、低噪声，以及表面贴装化 。无论是 AC/DC 或 DC/DC 电源， 除了功率晶体管外，由软磁铁氧体磁芯制成的主变压器、扼流圈及其它电感器（如抗噪声 滤波器）是极重要的元件，其磁性能和尺寸直接关系到电源的转换效率和功率密度等 。在 变压器设计中，主要包括绕组设计和磁芯设计 。本文拟重点讨论涉及主变压器磁芯设计中 应考虑的通过功率、性能因子、热阻等参数，并对降低磁芯总损耗提出了材料微观设计应 考虑的方法 。 2 电源变压器磁芯性能要求及材料分类 为了满足开关电源提高效率和减小尺寸、重量的要求，需要一种高磁通密度和高频低 损耗的变压器磁芯。虽然有高性能的非晶态软磁合金竞争，但从性能价格比考虑，软磁铁 氧体材料仍是最佳的选择；特别在 100kHz 到 1MHz 的高频领域，新的低损耗的高频功率铁 氧体材料更有其独特的优势。为了最大限度地利用磁芯，对于较大功率运行条件下的软磁 铁氧体材料，在高温工作范围（如 80～100℃），应具有以下最主要的磁特性： （1）高的饱和磁通密度或高的振幅磁导率 。这样变压器磁芯在规定频率下允许有一 个大的磁通偏移，其结果可减少匝数；这也有利于铁氧体的高频应用，因为截止频率正比 于饱和磁通密度。 （2）在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下，低的磁芯损耗将允许 有高的通过功率。 附带的要求则还有高的居里点，高的电阻率，良好的机械强度等。 新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准（等同 IEC61332：1995），将高磁通密度 应用的功率铁氧体材料分为五类，见表 1。每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率损耗 提出要求外，还提出了“性能因子”参数（此参数将在下面进一步叙述） 。从 PW1～PW5 类别，其适用工作频率是逐步提高的，如 PW1 材料，适用频率为 15～100kHz，主要应用 于回扫变压器磁芯；PW2 材料，适用频率为 25～200kHz，主要应用于开关电源变压器磁芯； PW3 材料，适用频率为 100～300kHz；PW4 材料适用频率为 300kHz～1MHz；PW5 材料适用 频率为 1～3MHz。现在国内已能生产相当于 PW1～PW3 材料，PW4 材料只能小量试生产， PW5 材料尚有待开发。 3 变压器可传输功率 众所周知，变压器的可传输功率 Pth 正比于工作频率 f，最大可允许磁通密度 Bmax(或可允许磁通偏移 ΔB)和磁路截面积 Ae，并表示为： Pth = C f Bmax Ae Wd （1） 式中，C 为与开关电源电路工作型式有关的系数（如推挽式 C=1；正向变换器 C=0.71；反向变换器 C=0.61）；Wd 为绕组设计参数（包含电流密度 S，占空因子 fCu，绕 组截面积 AN 等） 。 这里，我们重点讨论（f Bmax Ae）参数（暂不讨论绕组设计参数 Wd）。增大磁芯尺 寸（增大 Ae）可提高变压器通过功率，但当前开关电源的目标是在给定通过功率下要减 小尺寸和重量 。假定固定温升，对一个给定尺寸的磁芯，通过功率近似正比于频率。图 1 示出变压器可传输功率 Pth 与频率 f 的关系。提高开关频率除了要应用快速晶体管以外， 还受其它电路影响所限制，如电压和电流的快速改变，在开关电路中产生扩大的谐