一、高頻變壓器簡(jiǎn)介

高頻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、10MHz以上。

高頻變壓器是作為開(kāi)關(guān)電源最主要的組成部分。開(kāi)關(guān)電源中的拓撲結構有很多。比如半橋式功率轉換電路，工作時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)三極管輪流導通來(lái)產(chǎn)生100kHz的高頻脈沖波，然后通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行變壓，輸出交流電，高頻變壓器各個(gè)繞組線(xiàn)圈的匝數比例則決定了輸出電壓的多少。典型的半橋式變壓電路中最為顯眼的是三只高頻變壓器：主變壓器、驅動(dòng)變壓器和輔助變壓器（待機變壓器），每種變壓器在國家規定中都有各自的衡量標準，比如主變壓器，只要是200W以上的電源，其磁芯直徑（高度）就不得小于35mm。而輔助變壓器，在電源功率不超過(guò)300W時(shí)其磁芯直徑達到16mm就夠了。

　　二、高頻變壓器工作原理

高頻變壓器是作為開(kāi)關(guān)電源最主要的組成部分。開(kāi)關(guān)電源一般采用半橋式功率轉換電路，工作時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)三極管輪流導通來(lái)產(chǎn)生100kHz的高頻脈沖波，然后通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行降壓，輸出低電壓的交流電，高頻變壓器各個(gè)繞組線(xiàn)圈的匝數比例則決定了輸出電壓的多少。

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。

 

　　三、高頻變壓器設計原理

在高頻變壓器設計時(shí)，變壓器的漏感和分布電容必須減至最小，因為開(kāi)關(guān)電源中高頻變壓器傳輸的是高頻脈沖方波信號。在傳輸的瞬變過(guò)程中，漏感和分布電容會(huì )引起浪涌電流和尖峰電壓，以及頂部振蕩，造成損耗增加。通常變壓器的漏感，控制為初級電感量的1%～3%。

初級線(xiàn)圈的漏感----變壓器的漏感是由于初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈之間，層與層之間，匝與匝之間磁通沒(méi)有完全耦合而造成的。

分布電容----變壓器繞組線(xiàn)匝之間，同一繞組的上、下層之間，不同繞組之間，繞組與屏蔽層之間形成的電容稱(chēng)為分布電容。

初級繞組----初級繞組應放在最里層，這樣可使變壓器初級繞組每一匝用線(xiàn)長(cháng)度最短，從而使整個(gè)繞組的用線(xiàn)為最少，這有效地減小了初級繞組自身的分布電容。

次級繞組----初級繞組繞完，要加繞（3～5）層絕緣墊襯再繞制次級繞組。這樣可減小初級繞組和次級繞組之間分布電容的電容量，也增大了初級和次級之間的絕緣強度，符合絕緣耐壓的要求。

偏壓繞組----偏壓繞組繞在初級和次級之間，還是繞在最外層，和開(kāi)關(guān)電源的調整是根據次級電壓還是初級電壓進(jìn)行有關(guān)。

　　四、高頻變壓器線(xiàn)徑計算

高頻變壓器線(xiàn)徑的確定根據公式D=1.13（I/J）^1/2可以計算出來(lái)，J是電流密度，不同的取值計算出的線(xiàn)徑不同。由于高頻電流在導體中會(huì )有趨膚效應，所以在確定線(xiàn)經(jīng)時(shí)還要計算不同頻率時(shí)導體的穿透深度。

穿透深度公式：d=66.1/（f）^1/2

如果計算出的線(xiàn)徑D大于兩倍的穿透深度，就需要采用多股線(xiàn)或利茲線(xiàn)。

例如：1A電流，頻率100K.假設電流密度取4A/mm^2

D=1.13*（1/4）^1/2=0.565mm Sc=0.25mm^

d=66.1/（f）^1/2=66.1/（100000）^1/2=0.209mm

2d=0.418mm

采用0.4mm的線(xiàn)，單根0.4的截面積Sc=0.1256mm^2。2根0.4的截面積Sc=0.1256*2=0.2512mm^2

可以看出采用2*0.4的方案可以滿(mǎn)足計算的要求。

 

　　五、高頻變壓器匝數計算

　　1、電磁學(xué)計算公式推導：

1）磁通量與磁通密度相關(guān)公式：

Ф = B * S ⑴

B = H * μ ⑵

H = I*N / l ⑶

2）電感中反感應電動(dòng)勢與電流以及磁通之間相關(guān)關(guān)系式：

EL =⊿Ф / ⊿t * N ⑷

EL = ⊿i / ⊿t * L ⑸

由上面兩個(gè)公式可以推出下面的公式：⊿Ф / ⊿t * N = ⊿i / ⊿t * L 變形可得：N = ⊿i * L/⊿Ф

再由Ф = B * S 可得下式：N = ⊿i * L / （ B * S ） ⑹

且由⑸式直接變形可得：⊿i = EL * ⊿t / L ⑺

聯(lián)合⑴⑵⑶⑷同時(shí)可以推出如下算式：L =（μ* S ）/ l * N2 ⑻

這說(shuō)明在磁芯一定的情況下電感量與匝數的平方成正比（影響電感量的因素）

3）電感中能量與電流的關(guān)系：QL = 1/2 * I2 * L ⑼

4）根據能量守恒定律及影響電感量的因素和聯(lián)合⑺⑻⑼式可以得出初次級匝數比與占空比的關(guān)系式：

N1/N2 = （E1*D）/（E2*（1-D）） ⑽

　　2、根據上面公式計算變壓器參數：

　　1） 高頻變壓器輸入輸出要求：

輸入直流電壓：200--- 340 V

輸出直流電壓：23.5V

輸出電流：2.5A * 2

輸出總功率：117.5W

　　2）確定初次級匝數比

次級整流管選用VRRM =100V正向電流（10A）的肖特基二極管兩個(gè)，若初次級匝數比大則功率所承受的反壓高匝數比小則功率 管反低，這樣就有下式：

N1/N2 = VIN（max） / （VRRM * k / 2） ⑾ 這里安全系數取0.9

由此可得匝數比N1/N2 = 340/（100*0.9/2） ≌ 7.6

　　3）計算功率場(chǎng)效應管的最高反峰電壓：

Vmax = Vin（max） + （Vo+Vd）/ N2/ N1 ⑿

Vmax = 340+（23.5+0.89）/（1/7.6）

由此可計算功率管承受的最大電壓： Vmax ≌ 525.36（V）

　　4）計算PWM占空比

由⑽式變形可得：

D = （N1/N2）*E2/（E1+（N1 /N2*E2）

D=（N1/N2）*（Vo+Vd）/Vin（min）+N1/N2*（Vo+Vd） ⒀

D=7.6*（23.5+0.89）/200+7.6*（23.5+0.89）

由些可計算得到占空比D≌ 0.481

　　5）算變壓器初級電感量：

為計算方便假定變壓器初級電流為鋸齒波，也就是電流變化量等于電流的峰值，也就是理想的認為輸出管在導通期間儲存的能量在截止期間全部消耗完。那么計算初級電感量就可以只以PWM的一個(gè)周期來(lái)分析，這時(shí)可由⑼式可以有如下推導過(guò)程：

（P/η）/ f = 1/2 * I2 * L ⒁

（P/η）/ f = 1/2 * （EL * ⊿t / L）2 * L ⒂

⊿t = D / f （D ----- PWM占空比）

將此算式代入⒂式變形可得：

L = E2 * D2 *η/ （ 2 * f * P ） ⒃

這里取效率為85%， PWM開(kāi)關(guān)頻率為60KHz.

在輸入電壓最小的電感量為：

L=2002* 0.4812 * 0.85 / 2 * 60000 * 117.5

計算初級電感量為： L1 ≌ 558（uH）

計算初級峰值電流：由⑺式可得：

⊿i = EL * ⊿t / L = 200 * （0.481/60000 ）/ （558*10-6）

計算初級電流的峰值為： Ipp ≌ 2.87（A）

初級平均電流為：I1 = Ipp/2/（1/D） = 0.690235（A）

　　6）計算初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈的匝數：

磁芯選擇為EE-42（截面積1.76mm2）磁通密度為防治飽和取值為2500高斯也即0.25特斯拉， 這樣由⑹式可得

初級電感的匝數為： N1= ⊿i * L / （ B * S ） = 2.87 * （0.558*10-3）/0.25*（1.76*10-4）

計算初級電感匝數： N1 ≌ 36 （匝）

同時(shí)可計算次級匝數：N2 ≌ 5 （匝）

　　7）計算次級線(xiàn)圈的峰值電流：

根據能量守恒定律當初級電感在功率管導通時(shí)儲存的能量在截止時(shí)在次級線(xiàn)圈上全部釋放可以有下式：

由⑻⑼式可以得到：

Ipp2=N1/N2* Ipp ⒄

Ipp2 = 7.6*2.87

由此可計算次級峰值電流為：Ipp2 = 21.812（A）

次級平均值電流為I2=Ipp2/2/（1/（1-D））= 5.7（A）

　　8）計算激勵繞組（也叫輔助繞組）的匝數：

因為次級輸出電壓為23.5V，激勵繞組電壓取12V，所以為次級電壓的一半 由此可計算激勵繞組匝數為： N3 ≌ N2 / 2 ≌ 3 （匝），激勵繞組的電流?。?I3 = 0.1（A）