第四章 功率变压器设计

第四章 功率变压器设计 功率变压器设计的一般考虑 变压器尺寸的选择 内 容 提 要

4.1 功率变压器设计的一般考虑 一、变压器的折中 变压器设计过程中有许多限制条件，如体积、效率、调整率、寄生参数。这些需要在设计时根据不同的应用综合分析，根据不同的要求对变压器进行设计和折中。

即所流过电流的有效值与直流阻抗之间的乘积。 4.1 功率变压器设计的一般考虑 二、变压器的损耗 1、铜损（线圈损耗） a.直流损耗 即所流过电流的有效值与直流阻抗之间的乘积。

导线所流过高频交流电流的有效值与交流电阻的乘积。 由于高频集肤效应及邻近效应的影响，导线的交流电阻和直流电阻的比值与集肤深度，线圈排布有关。 4.1 功率变压器设计的一般考虑 b.交流损耗 导线所流过高频交流电流的有效值与交流电阻的乘积。 由于高频集肤效应及邻近效应的影响，导线的交流电阻和直流电阻的比值与集肤深度，线圈排布有关。

2、磁芯损耗 a.磁滞损耗 磁滞损耗与磁滞回线包围面积成正比。 磁芯比损耗 α大约为1.5～1.7，而β＝2～2.7 4.1 功率变压器设计的一般考虑 2、磁芯损耗 a.磁滞损耗 磁滞损耗与磁滞回线包围面积成正比。 磁芯比损耗 α大约为1.5～1.7，而β＝2～2.7

带料合金涡流为主，与铁氧体高频情况相同，磁芯最坏情况是高Ui和满载。线圈最坏情况是低Ui和满载。 4.1 功率变压器设计的一般考虑 b.涡流损耗 在200～300kHz以下，磁滞损耗为主。在更高频率时，因为涡流损耗随频率平方（相同磁通摆幅和波形）上升，超过磁滞损耗。在200～300kHz以下，由于线圈损耗高，变压器最坏情况是低电压和满载。一旦磁芯的涡流损耗变得明显时，特别在高Ui时，涡流损耗将随频率迅速增加。 带料合金涡流为主，与铁氧体高频情况相同，磁芯最坏情况是高Ui和满载。线圈最坏情况是低Ui和满载。

4.1 功率变压器设计的一般考虑 三、充填系数 ①高压时，为满足安全绝缘要求，线圈端部有留边、爬电距离，以及绝缘厚度限制占窗口面积很大的百分比，小变压器更严重。骨架进一步减少了窗口有效面积。可考虑采用加重绝缘的绝缘导线－如三重绝缘导线，可不必预留爬电距离。 ②导线形状不同，窗口利用不同。铜箔或铜带绕制时不可能绕制得非常伏贴，一般利用率在0.35~0.5之间。考虑到层间绝缘，骨架，屏蔽以及爬电距离等因素，一般实际窗口总利用率在0.25～0.5之间。

次级桥式整流的全桥和半桥变换器变压器利用率最好，带有中心抽头次级，线圈利用率和效率降低，中心抽头初级和次级，线圈和磁芯利用率进一步降低。 4.1 功率变压器设计的一般考虑 四、电路拓扑 反激电路主要用于功率范围0～150W，单端正激变换器范围在50～500W，半桥从100W到1000W，而全桥应用于500W以上。以上范围不是绝对的，实际产品中有低压输入的1500W的反激变换器。 次级桥式整流的全桥和半桥变换器变压器利用率最好，带有中心抽头次级，线圈利用率和效率降低，中心抽头初级和次级，线圈和磁芯利用率进一步降低。

①根据输出电压调节范围，在输入电压最低时应保证输出最高电压。 ②正激变换器的变压器，在每个开关周期中导通磁化后必须使磁芯复位。 4.1 功率变压器设计的一般考虑 五、占空比 ①根据输出电压调节范围，在输入电压最低时应保证输出最高电压。 ②正激变换器的变压器，在每个开关周期中导通磁化后必须使磁芯复位。 ③如果在低输入电压Ui正好达到最大占空度极限值Dlim，当出现突加负载时，调节器没有备份的伏秒能力，不能响应负载的突变，造成电压较大的跌落。因此希望Dmax< Dlim。 ④在电源启动或突加负载时，瞬时造成输出电压跌落。反馈电路将占空度推向Dlim

虽然没有通用的快速的选择每个线圈最优匝数的方法，但有一般规律可循。首先，决定额定UiD 4.1 功率变压器设计的一般考虑 六、匝数的取整 虽然没有通用的快速的选择每个线圈最优匝数的方法，但有一般规律可循。首先，决定额定UiD 时达到希望输出电压的线圈之间的理想匝比。接着，在选择某磁芯尺寸后，求得匝比和匝数，但不是实际需要的整数。在取整数匝前最好折衷处理，试试几个可能。

解决不对称问题的比较好的方法是采用电流型控制模式（峰值或平均电流型控制）自动平衡。 4.1 功率变压器设计的一般考虑 七、磁通偏移 变压器的线圈必须满足伏秒积分平衡，即任何磁器件的任何线圈上电压，一个周期内平均电压必须为零。一个交流波形中，如果存在即使非常小的直流分量，也会慢慢的将磁芯磁化到饱和。 解决不对称问题的比较好的方法是采用电流型控制模式（峰值或平均电流型控制）自动平衡。 在桥式中，最简单的解决磁偏的方法是在变压器初级串联一个电容。利用电容隔离激励波形中的直流分量。

磁芯的调整率和功率处理能力与磁芯的几何常数Kg有关。 4.2 变压器尺寸的选择 一、变压器的功率处理能力: 变压器的功率处理能力取决于导磁面积和绕线窗口面积。磁芯厂商通常采用磁芯和窗口面积W a和磁芯横截面积Ae的乘积来表征变压器的功率处理能力，这个乘积被称作面积积Ap。 磁芯的调整率和功率处理能力与磁芯的几何常数Kg有关。

4.2 变压器尺寸的选择 二、Ap计算 在用面积乘积决定需要的磁芯时，与许多因素有关。磁芯处理功率的能力并不是随面积乘积或磁芯体积线性变化的。较大的变压器必须工作于低功率密度，因为散热面增长低于产生损耗的体积的增加。 Kf：波形系数 Ku：填充系数 J：电流密度 Pt=Pin+Po

4.2 变压器尺寸的选择 可以用以下公式进行粗略计算：

4.2 变压器尺寸的选择 三、Kg计算