摘 要：功率變壓器主要用來(lái)傳輸各種信號(hào)（單頻、窄頻、多頻等）的功率，是現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部分。本文主要介紹功率變壓器的基本理論和設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r，以單端反激式開(kāi)關(guān)電源用變壓器為例，詳細(xì)論述了變壓器的具體設(shè)計(jì)、制作過(guò)程，并且對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比分析，為探究有效的測(cè)試分析方法和進(jìn)一步的研究提供重要參考。
關(guān)鍵詞：功率變壓器；設(shè)計(jì)；測(cè)試
1 前言
功率變壓器以傳輸各種信號(hào)的功率為已任，已成為現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部分。功率變壓器的應(yīng)用場(chǎng)合很廣泛，有些用來(lái)傳輸單頻信號(hào)的功率，如用在功率分配網(wǎng)絡(luò)中的變壓器；有些用來(lái)傳輸窄頻信號(hào)的功率，如用做超聲波發(fā)生器的輸出變壓器；還有些用來(lái)傳輸寬頻帶信號(hào)的功率，如用做天線(xiàn)匹配變壓器[1～4]。隨著開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展，為功率變壓器的應(yīng)用提供了更為廣闊的發(fā)展空間。目前，我國(guó)生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電源變壓器，尚處于仿制階段，外形、結(jié)構(gòu)、尺寸等都與引進(jìn)的國(guó)外樣品一個(gè)樣，電性能參數(shù)也都以國(guó)外的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)為依據(jù)。雖然，目前國(guó)內(nèi)已確定TA和Mμ兩種彩電機(jī)型中的開(kāi)關(guān)電源變壓器方案，并且已生產(chǎn)出彩電用KB系列、BDKC系列、CKDB-1系列開(kāi)關(guān)電源變壓器，其中如BDK1系列設(shè)計(jì)已符合UL、IEC標(biāo)準(zhǔn)，但是要形成像EI、C型工頻、高頻電源變壓器那樣的設(shè)計(jì)、制造體系尚有難度，因此，開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)等是我們今后需努力的目標(biāo)。這都使得功率變壓器的設(shè)計(jì)和制作顯得尤為重要，行之有效的測(cè)試和分析方法，能為變壓器的設(shè)計(jì)改進(jìn)工作提供有力的保證[5，6]。本文詳細(xì)介紹了功率變壓器的基本理論和設(shè)計(jì)原理，并按要求實(shí)際設(shè)計(jì)和制作了單端反激式功率變壓器。系統(tǒng)探究了變壓器靜態(tài)參數(shù)測(cè)試的原理和方法，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。
2 功率變壓器的基本理論
2.1 自感及互感系數(shù)
一個(gè)電路或線(xiàn)圈中的電流所激發(fā)的磁場(chǎng)通過(guò)自身的全磁通稱(chēng)為自感磁通，此磁通與自身電流成正比，其比例系數(shù)稱(chēng)為自感系數(shù)。即L=Ψ/I，其中，L為自感系數(shù)（H），Ψ為自感磁通（Wb），I為電流（A）。一個(gè)電路或線(xiàn)圈中的電流所激發(fā)的磁場(chǎng)通過(guò)臨近電路或線(xiàn)圈的全磁通稱(chēng)為互感磁通，該磁通與引起它的電流成正比，其比例系數(shù)稱(chēng)為互感系數(shù)。即M12=Ψ2m/I1；M21=Ψ1m/I2。其中，M12、M21為互感系數(shù)（H），Ψ1m、Ψ2m為互感磁通，I1、 I2為第一、第二回路或線(xiàn)圈的電流（A）。
2.2 磁路
感性器件為了增大電感量、Q值和縮小體積，通常采用軟磁材料作為磁芯，使磁力線(xiàn)較集中地通過(guò)線(xiàn)圈內(nèi)部。這種利用鐵磁物質(zhì)供磁力線(xiàn)通過(guò)的路徑結(jié)構(gòu)的總體稱(chēng)為磁路。磁路定律有兩條：（1）對(duì)于磁路中任一包圍面，在任何時(shí)刻，穿過(guò)該包圍面的各分支磁路段磁通量的代數(shù)和等于零。（2）對(duì)于磁路中任一閉合路徑，在任一時(shí)刻，沿該閉合路徑的各段磁路磁位差的代數(shù)和等于圍繞此閉合路徑的所有磁通勢(shì)的代數(shù)和。磁路也滿(mǎn)足歐姆定律，即磁路中的磁通等于磁位差與磁路磁阻之比。
2.3 漏磁及損耗
當(dāng)含磁芯的線(xiàn)圈通過(guò)電流時(shí)，在磁芯中產(chǎn)生磁通，該磁通的絕大部分是在磁芯中流通形成閉合路徑，其中有一小部分是經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈周?chē)橘|(zhì)形成閉合路徑。前者稱(chēng)為主磁通，后者稱(chēng)為漏磁通。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，相對(duì)于電導(dǎo)體和電絕緣體之間的電導(dǎo)率差異程度而言，空氣等周?chē)橘|(zhì)的磁導(dǎo)率和磁芯的磁導(dǎo)率之間的差異程度并不是太大。磁路系統(tǒng)的漏磁，對(duì)感性器件來(lái)說(shuō)，漏磁形成的漏感越小越好，因?yàn)樗o感性器件帶來(lái)一些不良影響。在感性器件樣品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中，要想消除漏感影響，實(shí)際上是較為困難的，這跟工藝技術(shù)有很大關(guān)系。合理配置初級(jí)、次級(jí)繞組位置，選取合適的繞組電阻值，選擇磁導(dǎo)率較小的絕緣材料，確定合理的磁芯形態(tài)等，這些都可以減小漏感的影響。感性器件的磁路損耗即磁芯損耗Pc，包括磁滯損耗Ph和渦流損耗Pe。磁滯回線(xiàn)所包圍的面積就是磁滯損耗Ph（W），一般可采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
式中，Bm是磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值（T）；a是指數(shù)，取1.6～2.0；f是工作頻率（Hz）；V是磁芯體積，K是系數(shù)。渦流損耗一般可用下式計(jì)算：
其中，系數(shù)Ke取決于磁芯材料、形狀、片厚；f是工作頻率；Bm是磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值；V是磁芯體積。
3 開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)的一般理論
（1）磁芯選擇。變壓器功率與磁芯材料和結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，可根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)功率和電磁感應(yīng)定律，由下式計(jì)算出結(jié)構(gòu)參數(shù)
式中，Ae為磁芯芯柱有效截面積（m2）；Ac為磁芯窗口面積（m2）；Pj為變壓器的計(jì)算功率（VA），單端反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的Pj=2P0（P0為輸出功率）；f為開(kāi)關(guān)電源頻率（Hz）； 為變壓器效率，一般取0.6～0.8；j為電流密度，一般?。?SPAN lang=EN-US>2.5～3）×106A/m2；Kc為窗口利用系數(shù)，一般取0.2～0.3。
（2）初級(jí)繞組電感量。單端反激開(kāi)關(guān)電源變壓器工作有調(diào)頻、調(diào)寬兩種情況。調(diào)頻時(shí)，在時(shí)間Ton內(nèi)變壓器儲(chǔ)能，而在時(shí)間Toff內(nèi)儲(chǔ)能全部傳給負(fù)載；在調(diào)寬時(shí)，Ton內(nèi)儲(chǔ)能，在Toff內(nèi)儲(chǔ)能未能全部釋放完，還有一部分能量在下一個(gè)Ton內(nèi)就要映射到初級(jí)繞組上。因此，初級(jí)電感量計(jì)算公式是不同的。對(duì)于調(diào)頻式單端反激開(kāi)關(guān)電源變壓器，初級(jí)繞組電感量：
對(duì)于調(diào)寬式單端反激開(kāi)關(guān)電源變壓器，初級(jí)繞組電感量：
其中，L1為初級(jí)繞組電感量（H），Uimin為最小輸入直流電壓（V），σ為占空系數(shù)（%），T為周期（s），初級(jí)電感量應(yīng)控制在L1min＜L1＜L1max。
（3）初級(jí)繞組匝數(shù)：
其中，Le為有效磁路長(zhǎng)度。為有效磁導(dǎo)率。對(duì)開(kāi)氣隙磁芯定義。
（4）初、次級(jí)變比。初、次級(jí)變比為
式中，Us2為次級(jí)繞組電壓，其值為Us2=U0＋Ur＋UL。其中，Ui為輸入電壓，U0為輸出直流電壓，Ur為續(xù)流二極管壓降（通常為1V），UL為變壓器漏感壓降（通常為0.075 U0）。應(yīng)當(dāng)注意，若次級(jí)繞組為多繞組，則應(yīng)分別求各自的變比kn。
（5）次級(jí)繞組匝數(shù)：
N2i=niN1 （8）
其中，N2i為第i次級(jí)繞組匝數(shù)，ni為第i次級(jí)繞組變比，i=1，2，…n，N1為變壓器初級(jí)繞組匝數(shù)。
（6）初級(jí)繞組激磁電流：
式中， 為磁化電流，L1為初級(jí)電感，Ui為輸入電壓，Ton為導(dǎo)通時(shí)間。
（7）初級(jí)電流有效值：由于初級(jí)電流波形為鋸齒波，故
（8）各次級(jí)電流有效值：
其中，I2i為第i次級(jí)繞組電流有效值；Ioi為第i次級(jí)繞組輸出直流平均電流，a為常數(shù)。半波整流時(shí)，對(duì)電感負(fù)載
，對(duì)電阻負(fù)載a=1.57。
（9）電負(fù)載及線(xiàn)包電流密度計(jì)算。電負(fù)載的定義為磁芯窗口面積內(nèi)的全部電流數(shù)。各繞組中的電流密度相等，則有
其中，NI為安匝數(shù)。線(xiàn)包的電流密度為：
j=NI/BAH (13)
其中，電流密度j一般?。?SPAN lang=EN-US>2～7）×106A/m2； 為常數(shù)，一般取0.5～0.7；AH為骨架的繞線(xiàn)窗口面積，一般為磁芯窗口面積Ac的0.6～0.7倍。
（10）初級(jí)繞組的導(dǎo)線(xiàn)直徑：
其中，I1為初級(jí)繞組的有效電流。
（11）次級(jí)繞組的導(dǎo)線(xiàn)直徑：
I2n為次級(jí)第n組的有效電流。
這里應(yīng)當(dāng)注意，考慮到高頻電流趨膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)線(xiàn)的直徑不能大于高頻電流透入深度的二倍。
（12）初、次級(jí)繞組電阻。初級(jí)繞組電阻：
其中，R0為導(dǎo)線(xiàn)單位長(zhǎng)度的電阻，N1為初級(jí)繞組匝數(shù)，Lm1為初級(jí)繞阻的平均匝長(zhǎng)。次級(jí)第i繞組的電阻：
N2i為次級(jí)第i繞組匝數(shù)，Lm2n為次級(jí)繞組的平均匝長(zhǎng)。
（13）初、次級(jí)繞組損耗。初級(jí)繞組損耗
其中Pm1為初級(jí)繞組銅損；kr為漆包線(xiàn)電阻的溫度補(bǔ)償系數(shù)，為熱態(tài)與冷態(tài)電阻之比。各次級(jí)繞組銅損
其中，I2i為次級(jí)第i繞組的有效電流，R2i為次級(jí)第i繞組的冷態(tài)電阻，kr為導(dǎo)線(xiàn)電阻的溫度補(bǔ)償系數(shù)。
（14）變壓器的全部繞組損耗：
其中，Pc0為在相應(yīng)f和B條件下單位重量的損耗（W/kg），Gc為磁芯重量。
（16）開(kāi)關(guān)電源變壓器總損耗：
（17）溫升計(jì)算。開(kāi)關(guān)電源變壓器溫升不應(yīng)大于允許溫升。對(duì)于不同的磁芯材料、絕緣材料和環(huán)境溫度，允許溫升也不一樣。也就是變壓器允許最高工作溫度也不一樣。一般地講，對(duì)鐵鎳軟磁合金（坡莫合金）磁芯，其允許最高工作溫度取決于絕緣材料的絕緣等級(jí)；對(duì)鐵氧體磁芯，其允許最高工作溫度為100℃；對(duì)于非晶態(tài)軟磁合金磁芯，目前允許最高工作溫度為110℃（對(duì)于鐵基非晶態(tài)軟磁合金可適當(dāng)高些）。
4 設(shè)計(jì)實(shí)例
設(shè)計(jì)制作一個(gè)變壓器：Ui=110V，U0=12V，P0=30W，f=200kHz，LL/L初＜1/1000，n＞80%。
分析：根據(jù)要求可按單端反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，具體步驟如下：
（1）磁芯選擇。
其中， 為工作的增量磁感應(yīng)強(qiáng)度（T），對(duì)Mn-Zn鐵氧體 一般取0.25T；電流密度j?。?SPAN lang=EN-US>2.5～3）×106A/m2，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。LL/L初＜1/1000，初步確定選用RM8G磁芯，C1=0.590mm－1，Ae=64.0mm2，Ve=2400mm3，AL=2220（1±25%）。
（3）初級(jí)繞組電感L1。工作在調(diào)寬狀態(tài)下：
（4）次級(jí)繞組匝數(shù)：N2=U0Toff/UiTon=4.2匝。
（5）初級(jí)繞組激磁電流：
（9）最大電流密度：j=NI/ AN=NI/(ANC×0.65)=0.903×106A/m2＜規(guī)定值，故取j=2.5×106A/m2。
（10）最大繞組直徑：
（11）透入深度：
根據(jù)d＜2Δ=0.296mm原則，取d1=0.28mm（此為銅芯直徑，漆包線(xiàn)外徑為0.33mm），d2=0.28×4mm（同上）。
（12）RM8G磁芯骨架內(nèi)寬為9mm，設(shè)每股漆包線(xiàn)（包括間隙）占0.4mm，則每層可纏繞22～23匝，N1=38，N2=4.2，取N2=5，N1=45。
（13）制作磁芯：RM8G，線(xiàn)包結(jié)構(gòu)：（a）骨架，采用阻燃增強(qiáng)PBT工程塑料壓制或酚醛玻璃纖維塑料壓制而成；（b）外包絕緣，采用厚度為0.06～0.08mm彩色聚脂壓敏膠帶2～3層；（c）層間絕緣，采用厚度 為0.06～0.08mm彩色聚脂壓敏膠帶1～2層；（d）樣品1～3：初級(jí)，第一、二層，22＋23匝；次級(jí)，第三層5匝，4×5=20股；（e）樣品4～10：初、次級(jí)分層交叉繞制。初級(jí)，第一、三層，22＋23；次級(jí)，第二層，5匝，4×5股。
4 功率變壓器的測(cè)試結(jié)果
測(cè)試結(jié)果如圖1～8所示。
（轉(zhuǎn)載）
