高频开关电源主要磁性元件的设计

【摘要】本文重点研究高频开关电源的磁性元件的设计，在高频开关电源设计过程中需要解决的一个关键问题，就是热的问题；而热主要来源是磁性元件，如何解决磁性元件的损耗及发热问题，减小磁性元件的尺寸也成为该课题的一个关键问题。所以磁性元器件的设计自然成为整个设计关节中相当重要的一环。

【关键词】变压器；电抗器；磁芯

1.概述

在电力系统中的直流系统，由于普遍采用高频模块，而对于高频模块的设计也是功率越来越大，而体积却是越来越小，这就对其设计提出了一个关键的问题，那就是如何解决磁性元件的损耗及发热问题。

高频开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入/输出共模电感，功率变压器，饱和电感以及各种差模电感。各种磁性元器件对磁性材料的要求各不相同，如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和；共模电感则希望μ值要高，频带宽，功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小，损耗低等。在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高μ值（6K～10K）Mn-Zn合金，差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。

这些材料应用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择。随着非晶材料的出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其它材料无法比拟的优点。几种常用磁性材料基本性能比较如表1。

2.主变压器的设计

对于高频开关电源的主要发热元件，主变压器的设计尤其重要，其尺寸的大小和材料的选择更是重要。

2.1 主变压器的磁芯必须具备的几个特点

①低损耗

②高的饱和磁感应强度且温度系数小

③宽工作温度范围

④μ值随B值变化小

⑤与所选用功率器件开关速度相应的频响

早前高频变压器一般选用铁氧体磁芯，下面对VITROPERM500F铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的N67系列铁氧体磁芯的性能进行较：

从以上图表可以看出两者有以下区别：

（1）相同工作频率（200KHZ以下），非晶材料损耗明显低于铁氧体，工作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。但在250kHZ以上频段，铁氧体损耗要明显低于非晶材料。

（2）非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器热设计的难度。

（3）非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器设计的难度，提高了电源运行的稳定性和可靠性。

（4）非晶材料Bs*μ值是铁氧体的10- 15倍，意味着变压器体积重量可以大幅减小。

变压器设计过程中，最困难的是热设计，变压器的产热与多方面的因素有关，如磁芯损耗，铜损等。开关频率增加，变压器的发热呈指数增加。若采用铁氧体磁芯，由于铁氧体的居里点较低，需对变压器磁芯作散热处理，工艺制作比较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。若采用非晶做变压器，将工作B由4000高斯提高到10000高斯，开关器件的工作频率则可以降到100KHz以下。非晶材料在16KHZ-100KHZ频率范围内，损耗/Bs值最低，相应的变压器匝数及体积最小，发热量也较小，对提高整机效率，减小模块电源的体积有巨大帮助。在采用软开关控制技术的前提下，可以充分发挥IGBT的低导通压降，大电流，高耐压的优点，大幅度地提高电源的可靠性。由于铁氧体的居里点较低，需对变压器磁芯作散热处理，变压器工艺制作较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。

2.2 磁芯的选择

5.结束语

通过对高频电源模块的主要磁性元件的优化设计，并应用在高频电源的生产中，很好的解决了磁性元件的损耗和发热的问题，对高频电源的稳定性有了进一步的提高。

参考文献

[1]赵异波，何湘宁，等.直流电源系统技术综述[J].电工技术，2001：29-30.

[2]刘胜利，严仰光.现代高频开关电源实用技术[J].电力工业出版社，2004，1.

[3]占景辉.非晶材料在开关电源中的应用.

[4]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[J].电子工业出版社，2004，9.

[5]姜桂宾，裴云庆，等.12V/5000A大功率软开关电源的设计[J].电工电能新技术，2003（1）：56-60.

作者简介：刘明轩（1969—），男，国家二级技师，主要从事电器设备及线路的维修工作。