高频变压器的设计1

摘要：开关电源正向高频化发展，作为主变压器使用的软磁铁氧体磁芯，从材料性能、尺寸形状等均应作相应改进。讨论了磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻系数等参数，并提出了降低材料高频损耗的微观设计方法。关键词：开关电源变压器;磁芯;损耗通过功率;性能因子;热阻1、引言电子信息产业的迅速发展，对高频开关式电源不断提出新的要求。据报导，全球开关电源市场规模已超过100亿美元[1]。通信、计算机和消费电子产品是开关电源的三大主力市场。庞大的开关电源市场主要由AC/DC和DC/DC开关电源两部分组成。据预测，AC/DC开关电源全球销售收入将从1999年的91亿美元增加到2004年的122亿美元，年平均增长率为5.9%。低功率(0～300W)的AC/DC将面向增长平稳的消费电子产品和计算机市场;大功率(750～1500W)的AC/DC电源将面向增长强劲的电信市场。DC/DC电源约占整个开关电源市场的30%，但计算机与通信技术的快速融合，带动了DC/DC模块式电源的迅速增长。预计今后几年，DC/DC电源模块增长速度将超过AC/DC电源，有人估计，中国今后五年，DC/DC电源模块市场年增长将达15%，增长主要是在电信领域。开关式电源技术发展趋势是高密度、高效率、低噪声，以及表面贴装化。无论是AC/DC或DC/DC电源，除了功率晶体管外，由软磁铁氧体磁芯制成的主变压器、扼流圈及其它电感器(如抗噪声滤波器)是极重要的元件，其磁性能和尺寸直接关系到电源的转换效率和功率密度等。在变压器设计中，主要包括绕组设计和磁芯设计。本文拟重点讨论涉及主变压器磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻等参数，并对降低磁芯总损耗提出了材料微观设计应考虑的方法。2电源变压器磁芯性能要求及材料分类为了满足开关电源提高效率和减小尺寸、重量的要求，需要一种高磁通密度和高频低损耗的变压器磁芯。虽然有高性能的非晶态软磁合金竞争，但从性能价格比考虑，软磁铁氧体材料仍是最佳的选择;特别在100kHz到1MHz的高频领域，新的低损耗的高频功率铁氧体材料更有其独特的优势。为了最大限度地利用磁芯，对于较大功率运行条件下的软磁铁氧体材料，在高温工作范围(如80～100℃)，应具有以下最主要的磁特性：(1)高的饱和磁通密度或高的振幅磁导率。这样变压器磁芯在规定频率下允许有一个大的磁通偏移，其结果可减少匝数;这也有利于铁氧体的高频应用，因为截止频率正比于饱和磁通密度。(2)在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下，低的磁芯损耗将允许有高的通过功率。附带的要求则还有高的居里点，高的电阻率，良好的机械强度等。新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准(等同IEC61332：1995)，将高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类，见表1。每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率损耗提出要求外，还提出了“性能因子”参数(此参数将在下面进一步叙述)。从PW1～PW5类别，其适用工作频率是逐步提高的，如PW1材料，适用频率为15～100kHz，主要应用于回扫变压器磁芯;PW2材料，适用频率为25～200kHz，主要应用于开关电源变压器磁芯;PW3材料，适用频率为100～300kHz;PW4材料适用频率为300kHz～1MHz;PW5材料适用频率为1～3MHz。现在国内已能生产相当于PW1～PW3材料，PW4材料只能小量试生产，PW5材料尚有待开发。此主题相关图片如下：01.jpg3变压器可传输功率众所周知，变压器的可传输功率Pth正比于工作频率f，最大可允许磁通密度Bmax(或可允许磁通偏移ΔB)和磁路截面积Ae，并表示为：Pth=CfBmaxAeWd(1)式中，C为与开关电源电路工作型式有关的系数(如推挽式C=1;正向变换器C=0.71;反向变换器C=0.61);Wd为绕组设计参数(包含电流密度S，占空因子fCu，绕组截面积AN等)。这里，我们重点讨论(fBmaxAe)参数(暂不讨论绕组设计参数Wd)。增大磁芯尺寸(增大Ae)可提高变压器通过功率，但当前开关电源的目标是在给定通过功率下要减小尺寸和重量。假定固定温升，对一个给定尺寸的磁芯，通过功率近似正比于频率。图1示出变压器可传输功率Pth与频率f的关系。提高开关频率除了要应用快速晶体管以外，还受其它电路影响所限制，如电压和电流的快速改变，在开关电路中产生扩大的谐波谱线，造成无线电频率干扰，电源的辐射。对变压器磁芯来说，提高工作频率则要求改进高频磁芯损耗。图1中N67材料(西门子公司)比N27材料有更低的磁芯损耗，允许更大的磁通密度偏移ΔB，因而变压器可传输更大的功率。图2示出磁芯损耗与频率的关系。磁芯总损耗PL与工作频率f及工作磁通密度B的关系由下式表示：PL=KfmBnVe(2)式中，n是Steinmetz指数，对功率铁氧体来说，典型值是2.5;指数m=1～1.3(当磁损耗单纯地由磁滞损耗引起时，m=1;当f=10～100kHz时，m=1.3;当f100kHz时，m将随频率增高而增大，见图2，这个额外损耗是由于涡流损耗或剩余损耗引起的)。很明显，对于高频运行的铁氧体材料，要努力减小m值[2]。此主题相关图片如下：02.jpg4工作磁通密度变压器工作磁通密度(可允许磁通密度偏移)受两方面限制：首先是受磁芯损耗引起的可允许温升△θFe的限制;另一方面，也受铁氧体材料饱和磁通密度值的限制。对单端正向型变压器，工作磁通密度△B=Bm-Br;对推挽式变压器，工作磁通密度△B=2Bm。根据(2)式，当工作磁通密度提高时，磁芯损耗将以2.5次方指数上升，从而造成变压器温升，因此设计的工作磁通密度首先受磁芯温升值限制，其关系式为：此主题相关图片如下：03.jpg式中，常数CB与指数n是与磁芯材料有关的系数;Ve为有效体积;Rth为热阻。当计算出的磁通密度值较高时，△B还应受磁芯材料可允许磁通密度偏移△Badm(此值与材料高温下Bs值相对应)所限制。在这里，必须注意对不等截面磁芯(如E型磁芯)，在最小横截面Amin处有较高的磁通密度。为避免磁芯饱和，还必须按下式计算：此主题相关图片如下：04.jpg由(3)、(4)式所得到的最小磁密偏移值，即为可允许的变压器工作磁通密度值。5材料性能因子由铁氧体磁芯制成的变压器，其通过功率直接正比于工作频率f和最大可允许磁通密度Bmax的乘积((1)式)。很明显，对传输相同功率来说，高的(fBmax)乘积允许小的磁芯体积;反之，相同磁芯尺寸的变压器，采用高(fBmax)的铁氧体材料，可传输更大的功率。我们将此乘积称为“性能因子”(PF)，这是与铁氧体材料有关的参数，良好的高频功率铁氧体显示出高的(fBmax)值。图3示出德国西门子公司几种铁氧体材料的性能因子(PF)与频率的关系，功率损耗密度定为300mW/cm3(100℃)，可用来度量可能的通过功率。可以看到，经改进过的H49i材料在900kHz时达到最大的(fBmax)为3700HzT[3]，比原来生产的H49材料有更高的值，而N59材料则可使用到f=1MHz以上频率。改进“性能因子”可从降低材料高频损耗着手，已发现对应性能因子最大值的频率与材料晶粒尺寸d、交流电阻率ρ有关，如图4所示，考虑到涡流损耗与d2/ρ之间的关系，两者结果是相一致的。此主题相关图片如下：05.jpg6热阻为了得到最佳的功率传输，变压器温升通常分为二个相等的部分：磁芯损耗引起的温升△θFe和铜损引起的温升△θCu。关于磁芯总损耗与温升的关系如图5所示。对相同尺寸的磁芯(RM14磁芯)，采用不同的铁氧体材料(热阻系数不同)，其温升值是不同的，其中N67材料有比其它材料更低的热阻。于是，磁芯温升与磁芯总损耗的关系可用下式表示：△θFe=Rth·PFe(5)式中，Rth即为热阻，定义为每瓦特总消散时规定热点处的温升(K/W)。铁氧体材料的热传导系数，磁芯尺寸及形状对热阻有影响，并可用下述经验公式来表示[4]：此主题相关图片如下：06.jpg式中，S为磁芯表面积;d为磁芯尺寸;α为表面热传导系数;λ为磁芯内部热传导系数。由(6)式可见，对电源变压器用的铁氧体材料，必须具有低的功率损耗和高的热传导系数。实际测量表明，图5所示的N67材料显示高的热导性。从微观结构考虑，高的烧结密度，均匀的晶粒结构，以及晶界里有足够的Ca浓度的材料，将具有高的热导性。图6示出不同磁芯形状、尺寸、重量m对变压器热阻的影响。从磁芯尺寸、形状考虑，较大磁芯尺寸具有低的热阻，其中ETD磁芯具有优良的热阻特性;另外无中心孔的RM磁芯(RM14A)显示出比有中心孔磁芯(RM14B)更低的热阻。此主题相关图片如下：07.jpg对高频电源变压器磁芯，磁芯设计时应尽量增加暴露表面，如扩大背部和外翼，或制成宽而薄的形状(如低矮形RM磁芯，PQ型磁芯等)，均可降低热阻，提高通过功率。7磁芯总损耗软磁铁氧体磁芯总损耗通常是由三部分构成的：磁滞损耗Ph，涡流损耗Pe和剩余损耗Pr。每种损耗产生的频率范围是不同的。磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成线性关系，即：此主题相关图片如下：08.jpg量的直流磁滞回线的等值能。对于工作在频率100kHz以下的功率铁氧体磁芯，降低磁滞损耗是最重要的。为降低损耗，要选择铁氧体成分使材料具有最小矫顽力Hc和最小各向异性常数K，理想情况是各向异性补偿点(即K≈0)位于变压器工作温度(约80～100℃)。另外，此成分应有低的磁致伸缩常数λ，工艺上要避免内外应力和夹杂物。采用大而均匀的晶粒是有利的，因为Hc∝D-1(D是晶粒尺寸)。涡流损耗Pe可用下式表示：Pe=Cef2B2/ρ式中，Ce是尺寸常数，ρ是在测量频率f时的电阻率。此主题相关图片如下：09.jpg随着开关电源小型化和工作频率的提高，由于Pe∝f2，因而降低涡流损耗对高频电源变压器更为重要。随着频率提高，涡流损耗在总损耗中所占比例逐步增大，当工作频率达200～500kHz时，涡流损耗常常已占支配地位。这从图7所示的R2KB1材料磁芯总损耗(包括磁滞和涡流损耗)与频率f关系实测曲线，可得到证明。减小涡流损耗主要是提高多晶铁氧体的电阻率。从材料微观结构考虑，应有均匀的小晶粒，以及高电阻率的晶界和晶粒。因为小晶粒具有最大晶界表面而增大电阻率，而在材料中添加CaO+SiO2或者Nb2O5、ZrO2和Ta2O5均对增高电阻率有益。最近发现，当电源变压器磁芯工作在达MHz频率时，剩余损耗已占支配地位，采用细晶粒铁氧体已成功地缩小了此损耗的贡献。对MnZn铁氧体来说，在MHz频率出现铁磁谐振，形成了铁氧体的损耗。最近有人提出[5]，当铁氧体的磁导率μi随晶粒尺寸减小而降低时，Snoek定律仍是有效的，也就是说，细晶粒材料显示出高的谐振频率，因此可用于更高频率。另外，对晶粒尺寸小到纳米级的铁氧体材料研究表明，在此频段还应考虑晶粒内畴壁损耗。