高頻電磁感應(yīng)加熱機(jī)變壓器設(shè)計(jì)原則要求和程序

高頻電磁感應(yīng)加熱機(jī)變壓器是電源變壓器的一種，也稱高頻電源變壓器，主要功能是功率傳送、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(yīng)用。高頻電源變壓器是工作頻率超過中頻（10kHz）的電源變壓器，主要用于高頻開關(guān)電源中作高頻開關(guān)電源變壓器，也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機(jī)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。工作頻率不同檔次的電源變壓器設(shè)計(jì)方法不一樣。

1　高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xiàn)在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強(qiáng)調(diào)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(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，只談性能，不談成本，不能不說是一大缺憾，如果能認(rèn)真考慮一下高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則，追求更好的性能價(jià)格比，傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本，市場(chǎng)的價(jià)值規(guī)律是無情的！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(jié)能不節(jié)錢”的產(chǎn)品為什么在市場(chǎng)上推廣不開值得大家深思。

　　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(shè)計(jì)成本。因此，為了節(jié)約時(shí)間，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(shù)據(jù)，對(duì)窗口填充程度，繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案，有什么不好？為什么一定要按步就班地來回進(jìn)行推算和仿真，才不是概念錯(cuò)誤？作者曾在20世紀(jì)80年代中開發(fā)高頻磁放大器式開關(guān)電源，以溫升最低為條件，對(duì)高頻電源變壓器進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于熱阻難以確定，結(jié)果與試制樣品相差甚遠(yuǎn)，不得不再次修正?，F(xiàn)在有些公司的磁芯產(chǎn)品說明書中，為了縮短用戶設(shè)計(jì)高頻電源變壓器的時(shí)間，有的列出簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)公式，有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想，又推廣公司產(chǎn)品的雙贏行為，是完全符合市場(chǎng)規(guī)律的行為，絕不是什么需要辨析的錯(cuò)誤概念。問題是提供的參考數(shù)據(jù)，推薦的方案是否是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)？有沒有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些說法，都需要經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，才能站得住腳。

　　總之，千萬記?。焊哳l電源變壓器是一種產(chǎn)品（即商品），設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗(yàn)。

2　高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求

　　以設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn)，可以對(duì)高頻電源變壓器提出4項(xiàng)設(shè)計(jì)要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。

2.1　使用條件

　　使用條件包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，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(duì)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(duì)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(dǎo)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(shù)據(jù)。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(dāng)于A級(jí)絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件，一般都采用E級(jí)和B級(jí)絕緣材料，采用H級(jí)絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因?yàn)镠級(jí)絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?如果是，請(qǐng)舉具體實(shí)例數(shù)據(jù)。作者曾開發(fā)H級(jí)絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器，與B級(jí)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(dāng)可觀了。本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器，如次級(jí)繞組采用三重絕緣線，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗(yàn)。請(qǐng)有關(guān)作者詳細(xì)介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以便廣大讀者學(xué)習(xí)。

　　電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對(duì)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(shù)λS為21×10－6，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導(dǎo)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(dǎo)線之間的斥力。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以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz～20kHz，一定有其原因。由于沒有畫出噪聲頻譜圖，具體原因說不清楚，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(qǐng)給出實(shí)例與數(shù)據(jù)以及對(duì)噪聲原因的詳細(xì)說明，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(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因?yàn)樗荒茏柚馆椛涓蓴_，不能阻止傳導(dǎo)干擾。

2.2　完成功能

　　高頻電源變壓器完成功能有3個(gè)：功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式，加在原繞組上的電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應(yīng)電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過程中，磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從最大值Bm變化到剩余磁通密度Br，或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值ΔB=Bm－Br。為了提高ΔB，希望Bm大，Br小。雙方向變化工作模式磁通度從＋Bm變化到－Bm，或者從－Bm變化到＋Bm。磁通密度變化值ΔB=2Bm，為了提高ΔB，希望Bm大，但不要求Br小，不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式，變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)。第二種是電感器功率傳送方式，原繞組輸入的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來，然后通過去磁使副繞組感應(yīng)電壓，變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率決定于電感磁芯儲(chǔ)能，而儲(chǔ)能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)，磁導(dǎo)率高，電感量大，儲(chǔ)能多，而不直接與磁通密度有關(guān)。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數(shù)不一樣，但是在高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中，磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。在電源變壓器“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，很遺憾缺少這一個(gè)主要內(nèi)容。只是在“交流損耗”一條中，提出BAC典型值為0.04～0.075T。顯然，文中的高頻電源變壓器是采用電感功率傳送方式，為什么不提磁導(dǎo)率，而提BAC弄不清楚。經(jīng)查閱，在《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1/2期，同一主要作者寫的開關(guān)電源“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，列出了“磁芯的選擇”，也沒有提磁導(dǎo)率，只是提出最大磁通密度Bm為0.275T。由于沒有畫磁通密度變化波形，弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致：為什么BAC和Bm相差6.8～3.7倍？更不清楚，選的是哪一種軟磁鐵氧體材料？為什么選這種型號(hào)？?jī)晌闹卸紱]有一點(diǎn)說明，只好讓讀者自己去猜想了。

　　電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數(shù)比來完成。不管功率傳送是哪一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比，只要不改變?cè)褦?shù)比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān)。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比。有趣的是，漏感能不能規(guī)定一個(gè)數(shù)值？《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著不同的說法?！霸O(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中說：“對(duì)于一符合絕緣及安全標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級(jí)開路時(shí)初級(jí)電感量的1％～3％”?！氨嫖觥币晃闹姓f：“在很多技術(shù)單上，標(biāo)注著漏感=1％的磁化電感或漏感<2％的磁化電感等類似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè)。電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求，對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制。在制作變壓器的過程中，應(yīng)在不使變壓器的其他參數(shù)（如匝間電容等）變差的情況下盡可能減小漏感值，而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求”?！胺駝t這將表明你不理解漏感知識(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值”。雖然兩篇文章說法不一樣，但是有一點(diǎn)是共同的，就是盡可能減小漏感值。因?yàn)槁└兄荡?，?chǔ)存的能量也大，在電源開關(guān)過程中突然釋放，會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，增加開關(guān)器件承受的電壓峰值，對(duì)絕緣不利，也產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾。

　　絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。為了保證繞組之間的絕緣，必須增加兩個(gè)繞組之間的距離，從而降低繞組間的耦合程度，使漏感增大。還有，原繞組一般為高壓繞組，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會(huì)引起局部短路。這樣，匝數(shù)有下限，使漏感也有下限。總之，在高頻電源變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要統(tǒng)籌考慮漏感和絕緣強(qiáng)度問題。

2.3　提高效率

　　提高效率是對(duì)電源和電子設(shè)備的普遍要求。雖然從單個(gè)高頻電源變壓器來看，損耗不大。例如，100VA高頻電源變壓器，效率為98％時(shí)，損耗只有2W，并不多。但是成十萬個(gè)，成百萬個(gè)高頻電源變壓器，總損耗可能達(dá)到上100kW，甚至上MW。還有，許多高頻電源變壓器一直長(zhǎng)期運(yùn)行，年總損耗相當(dāng)可觀，有可能達(dá)到上10GW·h。這樣，提高高頻電源變壓器效率，可以節(jié)約電力。節(jié)約電力后，可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放CO2，SO2，NOx，廢氣，廢水，煙塵和灰渣，減少對(duì)環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源，又具有環(huán)境保護(hù)的雙重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高效率是高頻電源變壓器一個(gè)主要的設(shè)計(jì)要求，一般效率要提高到95％以上，損耗要減少到5％以下。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗（鐵損）和繞組損耗（銅損）。有人關(guān)心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個(gè)比例是隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化的。如果變壓器的外加電壓不變，工作頻率越低，繞組匝數(shù)越多，銅損越大。因此在50Hz工頻下，銅損遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵損。例如：50Hz，100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器，銅損為鐵損的5倍左右。50Hz，100kVASH11型三相油浸式非晶合金電力變壓器，銅損為鐵損的20倍左右。并不存在“辨析”一文中所說那樣，工頻變壓器從熱穩(wěn)定熱均勻角度出發(fā)，把銅損等于鐵損作為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則。隨著工作頻率升高，繞組匝數(shù)減少，雖然由于趨表效應(yīng)和鄰近效應(yīng)存在而使繞組損耗增加，但是總的趨勢(shì)是銅損隨著工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗，隨著工作頻率升高而迅速增大。在某一段工作頻率，有可能出現(xiàn)銅損和鐵損相等的情況，超過這一段工作頻率，鐵損就大于銅損。造成鐵損不等于銅損的原因，也并不象“辨析”一文中所說那樣是由于“高頻變壓器采用非常細(xì)的漆包線作為繞組”。導(dǎo)線粗細(xì)的選擇，雖然受趨表效應(yīng)影響，但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來決定，與工作頻率不存在直接關(guān)系。而且，選用非常細(xì)的漆包線作為繞組，反而會(huì)增加銅損，延緩銅損的下降趨勢(shì)。說不定在設(shè)計(jì)選定的工作頻率下，還有可能出現(xiàn)銅損等于鐵損的情況。根據(jù)有的資料介紹，中小功率高頻電源變壓器的工作頻率在100kHz左右，鐵損已經(jīng)大于銅損，而成為高頻電源變壓器損耗的主要部分。

　　正因?yàn)殍F損是高頻電源變壓器損耗的主要部分，因此根據(jù)鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。鐵損也成為評(píng)價(jià)軟磁芯材料的一個(gè)主要參數(shù)。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關(guān)，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí)，必須說明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下?lián)p耗。用符號(hào)表示時(shí)，也必須標(biāo)明PB/f〔式中工作磁通密度B的單位是T（特斯拉），工作頻率f的單位是Hz（赫芝）〕。例如，P0.5/400表示工作磁通密度為0.5T，工作頻率為400Hz時(shí)的損耗。又例如，P0.1/100k表示工作磁通密度為0.1T，工作頻率為100kHz時(shí)的損耗。鐵損還與工作溫度有關(guān)，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí)，必須指明它的工作溫度，特別是軟磁鐵氧體材料，對(duì)溫度變化比較敏感，在產(chǎn)品說明書中都要列出25℃至100℃的鐵損。

　　軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限，常常是鐵損限制了工作磁通密度的上限。所以，在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類標(biāo)準(zhǔn)中，把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積B×f，作為材料的性能因子，并說明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1，PW2，PW3，PW4，PW5等5類，性能因子越高的，工作頻率越高，極限頻率也越高。例如，PW3類軟磁鐵氧體材料，工作頻率為100kHz，極限頻率為300kHz，性能因子B×f為10000mT×kHz，即在100mT（0.1T）和100kHz下，100℃時(shí)損耗a級(jí)≤300kW/m（300mW/cm3），b級(jí)≤150kW/m3（150mW/cm3）。***TDK公司生產(chǎn)的PC44型軟磁鐵氧體材料達(dá)到PW3a級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到PW3b級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時(shí)的損耗應(yīng)低于50mW/cm3，沒指明是選哪一類軟磁鐵氧體材料，也沒說明損耗對(duì)應(yīng)的工作磁通密度。讀者只好去猜：損耗對(duì)應(yīng)的工作磁通密度是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年6期“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的BAC典型值0.04～0.075T？還是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1/2期“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的Bm值0.237T？不管是0.075T，還是0.237T？要達(dá)到100kHz下鐵損低于50mW/cm3的鐵氧體材料是非常先進(jìn)的。

　　在某一段工作頻率下，高頻電源變壓器的繞組損耗（銅損）與鐵損相接近時(shí)，例如，銅損/鐵損=100％～25％范圍內(nèi)，銅損也不能忽視，也應(yīng)當(dāng)考慮采取措施來減少銅損。由于原繞組和副繞組承擔(dān)的功率相近，往往在設(shè)計(jì)中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損，以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算過程，這并不象“辨析”一文中所說的那樣：“只是工頻變壓器設(shè)計(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，”對(duì)一定工作頻率下高頻電源變壓器設(shè)計(jì)也適用。不能只強(qiáng)調(diào)依靠溫升來設(shè)計(jì)高頻電源變壓器，由于熱阻不容易準(zhǔn)確確定，設(shè)計(jì)計(jì)算相當(dāng)麻煩。因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，有時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先推薦一些原則和數(shù)據(jù)是必要的。同樣，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)不同工作頻率，不同功率的高頻電源變壓器推薦不同的繞組電流密度，也是必要的，但不限于某一個(gè)電流密度值，例如，2A/mm2～3A/mm2。應(yīng)當(dāng)看到：實(shí)現(xiàn)高頻電源變壓器設(shè)計(jì)要求的方法并不限于一種，應(yīng)當(dāng)允許進(jìn)行多種多樣的探索?！澳阕吣愕年?yáng)關(guān)道，我走我的獨(dú)木橋”。為什么一定要按你指定的道路走，才不是“錯(cuò)誤概念”呢？

2.4　降低成本

　　降低成本是高頻電源變壓器的一個(gè)主要設(shè)計(jì)要求，有時(shí)甚至是決定性的要求。高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品，和其他商品一樣，都面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)容包括性能和成本兩個(gè)方面，缺一不可。不注意降低成本，往往會(huì)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。

　　高頻電源變壓器的成本包括材料成本，制造成本和管理成本。設(shè)計(jì)是高頻電源變壓器降低成本的主要手段。高頻電源變壓器所用的材料和零部件的貴賤和數(shù)量的多少？是否方便采購(gòu)？是否要備有多少庫(kù)存量？磁芯，線圈和總體結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝復(fù)雜還是簡(jiǎn)單？需要人工占的比例多大（實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化，可以減少人工工時(shí)，更能保證產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量）？是否需要工模具？質(zhì)量控制中需要檢測(cè)的工序和參數(shù)：哪些參數(shù)要在加工過程中檢測(cè)？哪些參數(shù)要在出廠試驗(yàn)中檢測(cè)（出廠試驗(yàn)的參數(shù)應(yīng)選擇能決定性能的關(guān)鍵參數(shù)，數(shù)量不要多，以便能即時(shí)判斷產(chǎn)品質(zhì)量。）？哪些參數(shù)要在型式試驗(yàn)中檢測(cè)？要用什么檢測(cè)儀器和設(shè)備，價(jià)格如何？等等，都是由設(shè)計(jì)來決定的。因此，高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)者除了要了解高頻電源變壓器的理論和設(shè)計(jì)方法而外，還要了解各種軟磁材料和磁芯的性能和價(jià)格，各種電磁線的性能和價(jià)格，各種絕緣材料的性能和價(jià)格；還要了解磁芯加工熱處理工藝，線圈繞制和絕緣處理工藝及變壓器組裝工藝；還要了解實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測(cè)參數(shù)和儀器設(shè)備；還要了解生產(chǎn)管理的基本知識(shí)以及高頻電源變壓器的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)等等。只有知識(shí)全面的設(shè)計(jì)者，才能設(shè)計(jì)出性能好，成本低的高頻電源變壓器產(chǎn)品。

　　降低成本是促進(jìn)高頻電源變壓器技術(shù)發(fā)展的一種推動(dòng)力。為什么輕、薄、短、小成為高頻電源變壓器的發(fā)展方向？原因之一是這樣既能降低材料成本，又能降低制造成本。提高工作頻率，可以使高頻電源變壓器的重量和體積下降。但是，要克服高頻帶來的負(fù)面影響，必須采用新的軟磁材料和導(dǎo)電材料并增加抑制高頻電磁干擾的措施，因此，對(duì)具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟選用多高的工作頻率？要在綜合考慮性能和總體成本后決定。提高效率，降低損耗發(fā)生的熱量，可以減少高頻電源變壓器散熱的表面積，從而使體積和重量下降。但是，降低損耗必須采用新材料和新工藝。因此，對(duì)具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟達(dá)到多高的效率？也要在綜合考慮性能和總體成本后決定。

3高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)程序

　　高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)程序，包括磁芯材料，磁芯結(jié)構(gòu)，磁芯參數(shù)，線圈參數(shù)，組裝結(jié)構(gòu)和溫升校核等內(nèi)容。下面分別進(jìn)行討論。

3.1　磁芯材料

　　根據(jù)高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求，選擇軟磁材料本來應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)程序的第一項(xiàng)。但是，現(xiàn)在一般都認(rèn)為高頻電源變壓器應(yīng)當(dāng)選擇軟磁鐵氧體，是自然而然的事情。許多有關(guān)高頻電源變壓器的論文，專著和教材，只針對(duì)軟磁鐵氧體進(jìn)行討論，而對(duì)其他軟磁材料有時(shí)說明一下，有時(shí)只字不提。而且究竟選擇哪一類軟磁鐵氧體，也不加以說明，好象大家都知道?！峨娫醇夹g(shù)應(yīng)用》2003年第6期中的兩篇文章就是一例。

　　和任何軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)格便宜，易加工成各種形狀的磁芯。缺點(diǎn)是工作磁通密度低，磁導(dǎo)率不高，磁致伸縮大，對(duì)溫度變化比較敏感。因此，有些高頻電源變壓器并不適合選擇軟磁鐵氧體。例如，工作頻率比較低（50kHz以下），功率比較大的高頻電源變壓器，如果選擇軟磁鐵氧體，由于工作磁通密度低，用材料多，磁芯體積大，加工困難，易碎，成品率不高，顯不出價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)。又例如，工作頻率高（500kHz以上），功率比較小的高頻電源變壓器，磁芯重量和體積本來都小，如果選擇軟磁鐵氧體，必須用PW4、PW5類材料，價(jià)格也不便宜，與其他軟磁材料相比，磁芯價(jià)格基本相當(dāng)，有時(shí)反而由于體積大，而處于不利地位。即使在適合于軟磁鐵氧體的工作頻率范圍內(nèi)，也要對(duì)選擇哪一類軟磁鐵氧體更能全面滿足高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行認(rèn)真考慮，才可以使設(shè)計(jì)出來的高頻電源變壓器達(dá)到比較理想的性能價(jià)格比。

3.2　磁芯結(jié)構(gòu)

　　高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中選擇磁芯結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的因素有：降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配接線方便等。

　　漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。如果磁芯不需要?dú)庀?，則盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯，特別是工作頻率高的電源變壓器，因?yàn)?，有一點(diǎn)漏感，就容易產(chǎn)生比較大的漏阻抗。封閉磁芯的磁通基本上集中在磁芯里面，漏磁小。同時(shí)，不論外界干擾磁場(chǎng)從哪個(gè)方向侵入，都在磁芯中分為兩個(gè)方向通過，產(chǎn)生的干擾互相抵消。但是，封閉磁芯繞線困難，且環(huán)形磁芯散熱要通過線圈，而且內(nèi)層引出線也要穿過線圈引出，故必須加強(qiáng)絕緣。不封閉磁芯繞線容易，磁芯散熱面大，可直接散熱，引出線也容易。建議裝線圈的磁路部分為圓柱形截面，減少平均匝長(zhǎng)，降低損耗。矮胖圓柱形磁芯的漏磁和漏感比瘦高圓柱形磁芯大，一個(gè)原因是胖，圓柱形大，漏磁輻射面大；另一個(gè)原因是矮，上下兩磁軛距離近，容易形成漏磁通的路徑。不封閉磁芯中的氣隙大小和位置與漏磁和漏感有密切關(guān)系。在保證完成功能所需的氣隙條件下，盡可能減少氣隙尺寸。因?yàn)?，氣隙尺寸增大，不但增加漏磁和漏感，還減少等值磁導(dǎo)率，增加激磁功率，對(duì)高頻電源變壓器工作不利。另外，氣隙的位置最好處于線圈的中間部位，可以起到減少氣隙漏磁通的作用。

　　窗口面積的大小與線圈發(fā)熱損耗和散熱面積有關(guān)。窗口面積大，繞的電磁線截面大，電阻小，損耗小，發(fā)熱小。同時(shí)，線圈外形尺寸大，散熱面積也大?！氨嫖觥币晃闹刑岢龃翱诿娣e利用問題，不能采取完全肯定和完全否定的態(tài)度。一般在留足工藝需要的窗口面積以后，希望盡可能把窗口面積繞滿。如果不能充分利用窗口面積，將會(huì)造成磁芯尺寸和變壓器外形尺寸不必要的增大，有可能要增加材料成本。因此，在高頻電源變壓器磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來決定?！氨嫖觥币晃闹嘘P(guān)于填滿磁芯窗口主要是受工頻磁性元件設(shè)計(jì)的影響的理由并不成立。工頻變壓器的銅損比鐵損大，為了增加線圈散熱面積，磁芯與線圈之間留有足夠的氣隙，有時(shí)原繞組和副繞組之間也留有氣隙。而不是“強(qiáng)調(diào)鐵芯和繞組的整體性，因而不希望鐵芯與繞組中間有氣隙”。也不是“設(shè)計(jì)成繞組填滿整個(gè)窗口，從而保證其機(jī)械穩(wěn)定性”。線圈和磁芯既然不是一個(gè)整體，必須分別用夾件固緊，才能保證各自的機(jī)械穩(wěn)定性。同時(shí)，為了保證足夠的絕緣距離，線圈兩端和繞組之間都必須留有氣隙，不可能用繞組填滿整個(gè)窗口。

　　為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾，有些磁芯結(jié)構(gòu)在窗口外面有封閉和半封閉的外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好，但散熱和接線不方便，必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼，封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用，不封閉的地方用于接線和散熱。窗口完全開放，接線和散熱方便，屏蔽電磁干擾作用差。

3.3　磁芯參數(shù)

　　高頻電源變壓器磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中，要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān)。

　　對(duì)變壓器功率傳送方式的磁通單方向變化工作模式，ΔB=Bm－Br，既受飽和磁通密度限制，又更主要地是受損耗限制。但是單方向變化的高頻電源變壓器工作時(shí)，沿局部磁滯回線來回變化，磁芯損耗比雙方向變化沿大的磁滯回線來回變化小，只有它的30％～40％。而材料測(cè)試時(shí)是按正弦波雙向激磁條件下變化的ΔB為2Bm進(jìn)行的。因此，Bm可以取材料測(cè)試損耗值時(shí)，選取的B值高一倍以上。Br受材料磁滯回線上的Br限制，可以用開氣隙的辦法來降低Br，以增大磁通密度變化值ΔB。雖然開氣隙后，激磁電流有所增加，但增大ΔB后可以減少磁芯體積，還是值得的。對(duì)變壓器功率傳送方式磁通雙方向變化工作模式，ΔB=2Bm，工作的磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多，損耗也大得多，Bm主要受損耗限制，在雙方向變化工作模式中，還要注意由于各種原因造成激磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問題。可以在磁芯磁路中加一個(gè)小氣隙，或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容，或者采用電流型控制來解決。

　　對(duì)電感器功率傳送方式，磁導(dǎo)率是有氣隙后的等值磁導(dǎo)率，一般都比磁化曲線測(cè)出的磁導(dǎo)率小。可以在確定磁芯結(jié)構(gòu)后，直接測(cè)試它?！霸O(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的高頻電源變壓器采用電感器功率傳送方式。不知道為什么不提選用的磁導(dǎo)率，而提BAC或者Bm？也不提BAC或Bm與損耗的關(guān)系？

3.4　線圈參數(shù)

　　高頻電源變壓器設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面（直徑），導(dǎo)線形式，繞組排列和絕緣安排。

　　原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感（儲(chǔ)存能量）來決定，匝數(shù)不能過多，也不能過少。如果匝數(shù)過多，會(huì)增加漏感和繞線工時(shí)；如果匝數(shù)過少，在外加激磁電壓比較高時(shí)，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強(qiáng)絕緣。

　　副繞組匝數(shù)由輸出電壓決定。高頻電源變壓器主要用于高頻開關(guān)電源。開關(guān)電源可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整上限受允許的開關(guān)占空比限制。在從要求的負(fù)載電壓計(jì)算變壓器輸出電壓時(shí)，應(yīng)考慮開關(guān)占空比，串聯(lián)二極管壓降和變壓器的內(nèi)阻抗壓降。

　　導(dǎo)線截面（直徑）決定于繞組的電流密度。繞組損耗（銅損）占總損耗比例比較大時(shí)，推薦電流密度取2～4A/mm2，銅損占總損耗比例比較小時(shí)，推薦電流密度取8～12A/mm2，但是，要經(jīng)過變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整。還要注意的是導(dǎo)線截面（直徑）的大小還與漏感有關(guān)。在同樣匝數(shù)下，導(dǎo)線截面直徑增加，內(nèi)層排列的匝數(shù)減少，層數(shù)增加。而漏磁場(chǎng)分布靠近磁芯的內(nèi)層大，外層小，與磁芯距離平方成反比例地衰減。這樣，漏磁通大的內(nèi)層交鏈的匝數(shù)減少?gòu)亩孤└邢陆怠?br/>
　　“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中提出的繞組排列形式，是一般用的繞組排列方式：原繞組靠近磁芯，副繞組和反饋繞組逐漸向外排列。這種繞組排列形式并不理想。下面推薦兩種繞組排列形式：

　　1）如果原繞組電壓高（例如220V），副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對(duì)磁芯的絕緣安排；

　　2）如果要增加原和副繞組之間耦合，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式，這樣有利于減少漏感。

　　絕緣安排首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級(jí)，要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級(jí)低，滿足不了耐熱要求，等級(jí)過高，會(huì)增加不必要的材料成本。其次，對(duì)在圓柱形磁路上繞線的線圈，最好采用線圈骨架，既可以保證絕緣，又可以簡(jiǎn)化繞線工藝。還有，線圈最外層和最里層，高壓和低壓繞組之間都要加強(qiáng)絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜，加強(qiáng)絕緣應(yīng)墊2～3層絕緣薄膜。

3.5　組裝結(jié)構(gòu)

　　高頻電源變壓器組裝結(jié)構(gòu)分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結(jié)構(gòu)，上下表面比較大，有利于散熱

　　或者附加散熱器，高度低，有利于安裝在印刷電路板上。組裝結(jié)構(gòu)中采用的夾件和接線端子等盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以便于外協(xié)加工，降低成本。

3.6　溫升校核

　　溫升校核可以通過計(jì)算和樣品測(cè)試來進(jìn)行。一般通過樣品試驗(yàn)進(jìn)行溫升核算的比較多一些。如果樣品試驗(yàn)溫升不超過允許溫升，可以通過。但是試驗(yàn)溫升低于允許溫升15℃以上，要對(duì)繞組的電流密度和導(dǎo)線截面進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)增加電流密度和減少導(dǎo)線截面。如果樣品試驗(yàn)溫升超過允許溫升，則要對(duì)繞組的電流密度和導(dǎo)線截面進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)減少電流密度和增加導(dǎo)線截面。如果增加導(dǎo)線截面，窗口繞不下，要增加磁芯尺寸。如果樣品試驗(yàn)磁芯溫升超過允許溫升，則要增加磁芯的散熱面積，加大磁芯。

4  結(jié)語(yǔ)

　 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程猶如登山運(yùn)動(dòng)，每攀登一步，便會(huì)上升到一個(gè)新的臺(tái)階，新的臺(tái)階自有新的風(fēng)光。高頻電源變壓器隨著工作頻率的提高，設(shè)計(jì)不斷發(fā)生變化，不斷出現(xiàn)新的軟磁材料，新的磁芯結(jié)構(gòu)，新的導(dǎo)線材料和絕緣材料，新的線圈結(jié)構(gòu)和組裝結(jié)構(gòu)等等，不斷出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)方法，就象登山一樣，不斷攀上新的臺(tái)階。

　　登山要有目標(biāo)。登山的目標(biāo)是攀上頂峰。失去目標(biāo)，登山會(huì)迷路。高頻電源變壓器設(shè)計(jì)也有目標(biāo)，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)原則，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。失去目標(biāo)，高頻電源變壓器設(shè)計(jì)也會(huì)誤入歧途。

　　登山的道路不只一條。不管是從東西南北哪條道路攀登，只要能攀上頂峰，則該條道路就是可行的。同樣，高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)方法也不只一種。不管采用哪一種設(shè)計(jì)方法，只要能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)原則，則該種設(shè)計(jì)方法就不能說是概念錯(cuò)誤的。

　　攀登山上山，放眼天外天！在登上更高的山后，會(huì)看見更大的天地，更好的風(fēng)光。高頻電源變壓器設(shè)計(jì)發(fā)展到一個(gè)新階段后，會(huì)設(shè)計(jì)出性能更好成本更低的產(chǎn)品來。讓我們共同努力吧！