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高頻變壓器的工作原理
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器件，在電源技術(shù)中和電力電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)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至0.5kVA為中功率，0.5kVA至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(shè)計(jì)也不一樣，應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。有人根據(jù)它的主要功能是功率傳送，把英文名“Power Transformers”譯成“功率變壓器”，在許多文獻(xiàn)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)語方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)來選擇決定?！?
同一個(gè)英文名稱“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(tǒng)中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用，原邊電壓為6kVA以上的高壓，功率最小5kVA，最大超過上萬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(yīng)原理，但是電力變壓器既強(qiáng)調(diào)功率傳送大，又強(qiáng)調(diào)絕緣隔離電壓高，無論在磁芯線圈，還是絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，都與功率傳送小，絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別，更不可能將電力變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)條件生搬硬套地應(yīng)用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設(shè)計(jì)方法不一樣，也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的?！?
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。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(shè)計(jì)方法不一樣，也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。
如上所述，作者對高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則、要求和程序不存在錯(cuò)誤概念，而是在2003年7月初，閱讀《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設(shè)計(jì)文章后，產(chǎn)生了疑慮，感到有些問題值得進(jìn)一步商討，因此才動(dòng)筆寫本文。正如《電源技術(shù)應(yīng)用》主編寄語所說的那樣：“具體地分析具體情況”，寫的目的，是嘗試把最難詳細(xì)說明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)問題弄清楚。如有說得不對的地方，敬請幾位作者和廣大讀者指正。
2 高頻電源變壓器的設(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的來回進(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。現(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，是完全符合市場規(guī)律的行為，決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，千萬記住：高頻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)受住市場的考驗(yàn)?！ ?
3 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)，可以對高頻電源變壓器提出四項(xiàng)設(shè)計(jì)要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本?！?br />
3.1 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℃，磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，除正常溫度25℃而外，還要給出60℃、80℃、 100℃時(shí)的各種參考數(shù)據(jù)。因此，錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的溫度限制在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，請舉具體實(shí)例數(shù)據(jù)。作者曾開發(fā)H級(jí)絕緣工頻 50Hz10kVA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(負(fù)六次方)，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，請列出實(shí)例和數(shù)據(jù)和對噪聲原因的詳細(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)樗荒茏柚馆椛鋫鞑ジ蓴_，不能阻止傳導(dǎo)傳播干擾。
3.2 完成功能
高頻電源變壓器完成功能有三個(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磁通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△B=Bm-Br。為了提高△B，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△B=2Bm，為了提高△B，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“降低交流損耗”一節(jié)中，提出BAC典型值為0.04-0.075T。顯然，文中的高頻電源變壓器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，列出一節(jié)“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，選的那一種軟磁鐵氧體材料？為什么選這種型號(hào)？兩文中都沒有一點(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。不管功率傳送是那一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原和副繞組匝數(shù)比。繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)成多少，只要不改變匝數(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)在不使變壓器的其它參數(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，也對絕緣不利，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?？傊?，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。3.3 提高效率
提高效率是現(xiàn)在對電源和電子設(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)到上十萬W，上百萬W。還有，許多高頻電源變壓器一直長期運(yùn)行，年總損耗相當(dāng)可觀，有可能達(dá)到上千萬kWh。這樣，高頻電源變壓器提高效率，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，可以少排放廢氣、廢水、煙塵和灰渣，減少對環(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。50Hz100kVA SH11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。工頻電源變壓器的銅損也比鐵損大許多。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。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：Psπ其中工作磁通密度B的單位是T（特斯拉），工作頻率f的單位是Hz（赫芝）。例如Pos/doo表示工作磁能密度為0.5T，工作頻率為400Hz時(shí)的損耗。又例如()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，常常是鐵損限制使用的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、PW5五類，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)為 ≤300kW/m3（300mw/cm3），b級(jí)為≤150kW/m3（150mw/cm3）。日本TDK公司生產(chǎn)的PC44型號(hào)軟磁鐵氧體材料達(dá)到 PW3a級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到PW3的b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，沒指明是選那一類軟磁鐵氧體材料，也沒說明損耗對應(yīng)的工作磁通密度。讀者只好去猜：損耗對應(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。
