交错绕法在开关电源变压器中的应用

[摘 要]本文主要介绍了一种交错绕制的开关电源变压器绕法及其应用。以反激式变压器初次级交错绕制降低漏感、谐振式变压器初次级交错绕制提升输出功率等为例，阐述了其原理及作用。

[关键词]开关电源变压器 交错绕制 漏感 功率

中图分类号：TM41 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）33-0341-01

一、线圈交错绕法介绍

变压器做为开关电源的核心部件，其主要作用是变换电流电压阻抗，在电源和负载之间进行直流隔离，以最大限度的传送电源能量（功率）。高效开关电源的设计，关键取决于变压器的优化设计，比如如何提高变压器输出效率，减小变压器对MOS管漏极应力，以降低开关电源成本等等。

1.1 反激式变压器

传统反激式变压器通常为初、次级绕组同槽分层绕制方式。其层间使用绝缘胶带进行隔离，端头采用挡墙胶带进行定位，引出线采用套管进行处理，以保证初次级之间的安规距离。为了降低变压器漏感，减小其对MOS管漏极电压应力，通过对绕线结构进行优化设计，采用初次级交错绕制Sandwich绕法。即将初级绕组均分成两部分，先绕制1/2初级绕组N1，然后绕制次级绕组（N2/N3/N4），最后再绕制余数1/2初级绕组（N5）。如（图1）所示。

1.2 谐振式变压器

传统谐振式开关电源变压器通常为分槽型，即具有两个绕线槽（如图2所示）。初级绕组（N1）、次级多路绕组（N2～N5）分别位于两绕线槽中，且初次级中间具有隔离槽，以保证初次级之间的安规距离。为提高变压器的输出效率，通过对绕线结构及骨架、护套、挡板等进行优化设计，在结构上采用初级绕组位于中间，次级绕组分成两部分，对称分布于两侧的方式。如图3所示。

二、理论分析

利用初次级绕组交错绕制的方式，相对于传统绕制方式而言，减小了绕组窗口内的磁场强度（即漏磁通），具体理论分析如下：

假设I1N1为初级安匝数，I2N2为次级安匝数，b为初级绕组占窗口宽度，l为窗口长度，初次级绕组间隙宽度值为c，d为次级绕组占窗口宽度。

在理想情况下，根据安培环路定律沿环路积分得到

式中，H1为全部初级安匝在窗口产生的磁场强度；从式中可见，在初级绕组宽度内，磁场强度随x线性增加，当x=b时，环路包围了整个初级，磁场强度不变且等于H1。在初次级间包围的环路中没有增加电流，磁场强度不变（H1），一直保持到x=b+c。

当x>b+c时，包围了次级反向电流，这里的磁场强度为

从而，我们可以得到传统绕制方式的绕组窗口磁场强度分布图如（图4）所示，而如果将次级（或初级）绕组分成两半，将初级（或次级）绕组夹在中间，其绕组窗口磁场强度的分布图如（图5）所示。从图中可以看出，交错绕制方式下的窗口最大磁场强度比传统绕制方式下的窗口最大磁场强度小一倍（即Hm=1/2 H1），初级绕组空间磁场总能量降低为传统型的1/4，次级绕组空间磁场总能量降低为传统的1/4。

综上，通过初次级交错绕制的方式，一方面，对于反激式变压器而言，降低了绕制空间磁场总能量，就可以降低变压器的漏感，减小对MOS管漏极的电压应力；另一方面，对于谐振式变压器而言，因为绕组交流电阻随所处磁场强度的降低而减小，所以绕组的涡流损耗也将降低，最终使得变压器的输出功率得以提升。

三、应用案例

3.1 EQ3314型反激式变压器

以EQ3314型磁芯骨架为例，分别采用传统绕法和初次级交错绕法绕制变压器，并在电源中进行测试。其中，初次级交错绕法绕制的变压器，漏感值以及对MOS漏极电压应力值均小于传统绕法绕制的变压器。具体如（表1）所示。

3.2 EFD4044型谐振式变压器

以EFD4044型磁芯骨架为例，分别采用传统绕法和初次级交错绕法绕制变压器，并在电源中进行测试。其中，初次级交错绕法绕制的变压器，温升值较低，可输出功率较高（表2）。

参考文献

[1] 《开关电源中磁性元器件》.辽宁科学技术出版社，赵修科.