高頻變壓器:電源變壓器-中文百科頻道

簡介

高頻變壓器作為開關電源重要的構成,能夠對于電源質量産生明顯的影。高頻變壓器是作為開關電源最主要的組成部分。開關電源中的拓撲結構有很多。比如半橋式功率轉換電路，工作時兩個開關三極管輪流導通來産生100kHz的高頻脈沖波，然後通過高頻變壓器進行變壓，輸出交流電，高頻變壓器各個繞組線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隻高頻變壓器：主變壓器、驅動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标準，比如主變壓器，隻要是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300W時其磁芯直徑達到16mm就夠了。

加工工藝

下面介紹了關于開關電源中高頻變壓器的加工工藝，通過變壓器的繞制來減小變壓器的漏感和分布電容，改善線圈之間的耦合程度，可減少開關電源的電磁騷擾發射和提高開關電源的可靠性，提高電源的效率。

引言

在開關電源中，高頻變壓器是進行能量儲存和傳輸的重要部件。一個高頻變壓器應具有漏感小、線圈分布電容小，各線圈之間的耦合電容也要小的特點。本文闡述通過改善變壓器的加工工藝來減小漏感和線圈本身的分布電容，提高開關電源的可靠性。

初級線圈的漏感和分布電容

在高頻變壓器設計時，變壓器的漏感和分布電容必須減至最小，因為開關電源中高頻變壓器傳輸的是高頻脈沖方波信号。在傳輸的瞬變過程中，漏感和分布電容會引起浪湧電流和尖峰電壓，以及頂部振蕩，造成損耗增加。雖然在開關晶體管的漏極上增加鉗位和吸收電路可以克服尖峰電壓，但過大的尖峰會導緻鉗位和吸收電路損耗的增加，使開關電源的效率降低，嚴重時會導緻功率開關管的損壞。通常變壓器的漏感，控制為初級電感量的1%～3%。

初級線圈的漏感

變壓器的漏感是由于初級線圈和次級線圈之間，層與層之間，匝與匝之間磁通沒有完全耦合而造成的。在變壓器繞制加工中可采取下列措施。

(1)盡量減少繞組的匝數，選用高飽和磁感應強度、低損耗的磁性材料。

(2)增加線圈尺寸的高度和寬度之比。

(3)盡可能減小繞組間的絕緣厚度，但必須保證變壓器本身有足夠絕緣強度。

(4)采用分層交叉繞制方式繞制初級、次級繞組。

(5)采用環型磁心變壓器時，不管初級、次級繞組的匝數有多少，在繞制繞組時，均沿環型圓周均勻分布地繞制。對于大電流工作狀态下的環型磁心變壓器，采用多繞組并聯方式繞制，并且盡可能地減小線徑。

(6)改善線圈之間的耦合程度。

(7)在輸入電壓不太高的情況下，初級、次級繞組采用雙線并繞的加工工藝。

其中減少初級線圈的匝數及增加線圈尺寸的高度和寬度之比，與所選擇的磁心形狀有關。如果磁心放置線圈的心柱尺寸足夠大，足以能使初級繞成兩層，甚至繞成一層的話，就可以有效地減小初級的漏感及分布電容的值。高頻變壓器适于采用中間心柱較長的磁心，不适合采用矮胖形狀的磁心。在上述措施中變壓器繞組的匝數不能減得太少，否則當輸入電壓太高，或者脈沖太寬時，會引起磁心飽和，導緻變壓器繞組的電感值急劇降低，繞組對交流電流的限流作用降低，嚴重時進入短路狀态，在微秒的時間裡，有幾十乃至幾百安培的電流通過半導體器件，使之失效。

分布電容

變壓器繞組線匝之間，同一繞組的上、下層之間，不同繞組之間，繞組與屏蔽層(或磁心)之間形成的電容稱為分布電容。開關變壓器分布電容主要由下面幾部分組成。

(1)各繞組與屏蔽層(或磁心)之間的分布電容。

(2)各繞組線匝之間的分布電容。

(3)繞組與繞組之間的分布電容。

(4)各繞組的上、下層之間的分布電容。

在開關電源的晶體管通、斷期間，線圈的分布電容被反複地充電和放電，其能量都被鉗位和吸收電路所消耗，降低了開關電源的效率。此外，線圈的分布電容還與線圈的漏感一起形成LC振蕩，産生振鈴噪聲。要減小分布電容可以采取下列措施：

(1)繞組進行分段繞制;

(2)正确安排繞組的極性，以減小各繞組之間的電位差;

(3)初級、次級繞組之間增加靜電屏蔽措施;

(4)選擇漏磁勢組數M=4。

繞組加工

初級繞組

初級繞組應放在最裡層，這樣可使變壓器初級繞組每一匝用線長度最短，從而使整個繞組的用線為最少，這有效地減小了初級繞組自身的分布電容。在通常情況下，變壓器的初級繞組被設計成兩層以下的繞組，可使變壓器的漏感為最小。

初級繞組放在最裡面，使初級繞組得到了其他繞組的屏蔽，有助于減小變壓器初級繞組和鄰近器件之間電磁噪聲的相互耦合。

初級繞組放在最裡面，使初級繞組的起始端作為連接開關電源功率晶體管的漏極或集電極驅動端，可減少變壓器初級對開關電源其他部分電磁騷擾的耦合。

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。減小變壓器初級和次級之間的電容有利于減小開關電源輸出端的共模騷擾。

如果開關電源的次級有多路輸出，并且輸出之間是不共地的，為了減小漏感，讓功率最大的次級靠近變壓器的初級繞組。如果這個次級繞組隻有相對較少幾匝，則為了改進耦合情況，還是應當設法将它布滿完整的一層，如可以采用多根導線并聯的辦法，有助于改進次級繞組的填充系數。其他次級繞組緊密的繞在這個次級繞組的上面。

當開關電源多路輸出采用共地技術時，處理方法簡單一些。次級可以采用變壓器抽頭形式輸出，次級繞組間不需要采取絕緣隔離，從而使變壓器的繞制更加緊湊，變壓器的磁耦合得到加強，能夠改善輕載時的穩壓性能。

偏壓繞組

偏壓繞組繞在初級和次級之間，還是繞在最外層，和開關電源的調整是根據次級電壓還是初級電壓進行有關。如果電壓調整是根據次級來進行的，則偏壓繞組應放在初級和次級之間，這樣有助于減少電源産生的傳導騷擾發射。如果電壓調整是根據初級來進行的，則偏壓繞組應繞在變壓器的最外層，這可使偏壓繞組和次級繞組之間保持最大的耦合，而與初級繞組之間的耦合減至最小。初級偏壓繞組最好能布滿完整的一層，如果偏壓繞組的匝數很少，則可以采取加粗偏壓繞組的線徑，或者用多根導線并聯繞制，改進偏壓繞組的填充情況。這一改進措施實際上也改進了采用次級電壓來調節電源的屏蔽能力，同樣也改進了采用初級電壓來調節電源時，次級繞組對偏壓繞組的耦合情況。

結束語

本文介紹了開關電源變壓器的加工工藝，通過變壓器繞組的繞制來改進開關電源的EMI指标，希望給從事開關電源設計人員提供一些參考。

用途

高頻變壓器是工作頻率超過中頻（10kHz）的電源變壓器，主要用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器，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，可分為幾個檔次：10kHz- 50kHz、50kHz-100kHz、100kHz～500kHz、500kHz～1MHz、1MHz以上。傳送功率比較大的情況下，功率器件一般采用 IGBT，由于IGBT存在關斷電流拖尾現象，所以工作頻率比較低；傳送功率比較小的，可以采用MOSFET，工作頻率就比較高。高頻變壓器設計基礎與電源變壓器不同，高頻變壓器工作在放大器電路中。是放大器的組成部分。