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分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计摘要：平面变压器是一种新兴的开关电源产品，其设计合理性能够直接影响到开关电源产品的大小、成本和性能，鉴于此，要想使其在一些大功率开关电源设备中发挥出最大的利用价值，关键任务就是要对当前结构设计较为复杂的大功率平面变压器和电感器进行全面的优化与完善。
本文也会通过相应的仿真模型，来对两者的优化设计进行着重分析，并提出合理的意见和建议，以便有关人士参考。
关键词：平面变压器；电感器；优化设计要点；研究分析前言目前，在高压大功率场合中，大功率平面变压器一般都会根据拓扑电路进行单独设计，而一般的设计方法仅仅是满足电路能正常工作，并不是性价比高的设计，鉴于此，要想改善现状，使大功率平面变压器在高压大功率开关领域中得到更好的应用与发展，当务之急就是要对平面变压器和电压器的结构设计进行全面的优化。
1.高压大功率平面变压器的热仿真及优化设计分析通常，判断平面变压器的设计是否合理，关键任务就是要看其温升是否合理，即变压器的工作温度是否为最佳工作温度。
鉴于此，在对高压大功率平面变压器进行优化设计时，就要采用AnsysWorkbench热仿真软件对平面变压器进行热仿真分析，在这一环节中，首先要根据变压器实物构建一个热仿真模型，如图一所示。
并在模型中输入相应的模型参数，如材料参数、环境参数等，同时还要利用有限元的方法对这些参数进行计算，这样才能在后处理结果中获得变压器的温度参数。
从最终仿真结果来看，平面变压器的绕组温升较低，而磁芯的温升较高，这证明变压器在运行过程中，会产生较大的磁芯损耗。
另外，为了准确计算出变压器的热阻值，还要在热仿真模型中分别将磁芯损耗和绕组损耗设置成唯一的热源，这样能根据模型求解出变压器的热阻值，即根据模型求解结果显示，当变压器在运行期间磁芯温度和绕组温度都高于标准值时，就会产生单磁芯损耗问题；另外，若变压器在工作状态下，仅绕组温度较高，而磁芯温度正常时，会产生单绕组损耗问题，鉴于上述情况，要想得以改善，就要结合热电相似原理，将最大温升带入到热模型中，来对模型中各部分热阻进行计算。
大功率开关电源的EMC测试分析及正确选择EMI滤波器开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，广泛应用于各个领域。
由于开关电源固有的特点，自身产生的各种噪声却形成一个很强的电磁干扰源。
所产生的干扰随着输出功率的增大而明显地增强，使整个电网的谐波污染状况愈加严重。
对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁，因此解决开关电源的电磁干扰是减小电网污染的必要手段，本文对一台15kW开关电源的EMC测试，分析其测试结果，并介绍如何合理地正确选择EMI滤波器，以达到理想的抑制效果。
1 开关电源产生电磁干扰的机理图1为所测的15kW开关电源的传导骚扰值，由图中可以看出在0、15～15MHz大范围超差。
这是因为开关电源所产生的干扰噪声所为。
开关电源所产生的干扰噪声分为差模噪声和共模噪声。
图1未加任何抑制措施所测得的传导骚扰1.1共模噪声共模噪声是由共模电流，IcM所产生，其特征是以相同幅度、相同相位往返于任一电源线（L、N）与地线之间的噪声电流所产生。
图2为典型的开关电源共模噪声发射路径的电原理图。
图2 共模噪声电原理图由于开关电源的频率较高，在开关变压器原、副边及开关管外壳及其散热器（如接地）之间存在分布电容。
当开关管由导通切换到关断状态时，开关变压器分布电容（漏感等）存储的能量会与开关管集电极与地之问的分布电容进行能量交换，产生衰减振荡，导致开关管集电极与发射极之间的电压迅速上升。
这个按开关频率工作的脉冲束电流经集电极与地之问的分布电容返回任一电源线，而产牛共模噪声。
1.2差模噪声差模噪声是由差模电流IDM昕产生，其特征是往返于相线和零线之间且相位相反的噪声电流所产生。
1.2.1差模输入传导噪声图3为典型的开关电源差模输入传导噪声的电原理图。
其一是当开关电源的开关管由关断切换到导通时，回路电容C 通过开关管放电形成浪涌电流，它在回路阻抗上产生的电压就是差模噪声。
图3差模输入传导噪声电原理图其二是工频差模脉动噪声，它是由整流滤波电容c 在整流电压上升与下降期问的充放电过程中而产生的脉动电流与放电电流，也含有大量谐波成分构成差模噪声。
开关电源中变压器的要求开关电源中的变压器是起到将输入电压变换为所需输出电压的关键元件，其设计和选用需要满足一定的要求。
一、变压器的功率要求开关电源的变压器需要根据负载的功率要求进行选择。
一般来说，变压器的额定功率应大于或等于负载的功率需求，以确保变压器的工作稳定性和可靠性。
二、变压器的额定电流要求变压器的额定电流应根据负载的电流需求来确定。
在开关电源中，变压器的额定电流一般要大于负载的最大电流，以确保变压器能够正常工作并具有一定的过载能力。
三、变压器的工作频率要求开关电源中的变压器需要满足所需的工作频率要求。
一般来说，变压器的工作频率应与开关电源的输出频率相匹配，以确保变压器能够有效地转换电压。
四、变压器的绝缘等级要求开关电源中的变压器需要具有足够的绝缘能力，以确保在高压环境下不会发生击穿等事故。
因此，变压器的绝缘等级应根据开关电源的工作电压来选择，以确保安全可靠的运行。
五、变压器的体积和重量要求开关电源通常需要具有较小的体积和重量，以满足应用场景的要求。
因此，变压器的体积和重量应尽量减小，以提高开关电源的便携性和安装灵活性。
六、变压器的效率要求开关电源中的变压器应具有较高的转换效率，以减少能量的损耗。
因此，变压器的设计和选用应考虑降低损耗和提高效率的因素，以确保开关电源的节能性能。
七、变压器的温升要求开关电源中的变压器在工作过程中会产生一定的温升，因此需要满足一定的温升要求。
变压器的设计和选用应考虑降低温升和提高散热能力，以确保变压器能够在安全的温度范围内工作。
开关电源中变压器的要求包括功率、额定电流、工作频率、绝缘等级、体积和重量、效率以及温升等方面。
在设计和选用变压器时，需要综合考虑这些要求，以确保开关电源的性能和可靠性。
同时，也需要注意变压器的安全性和节能性，以提高开关电源的整体效益。
开关电源之高频变压器设计发表时间：2019-06-18T17:24:32.980Z 来源：《科技研究》2019年4期作者：张升[导读] 本文主要介绍高频变压器具体参数的确定、及其在设计过程应当注意的问题及并提出相应的解决办法。
（中山市木林森光电有限公司 528415）摘要：开关电源设计中的难点之一就是高频变压器的设计，由于高频变压器是开关电源中进行能量储存和能量传输的重要部件，其合理性与参数计算的正确性将直接影响到开关电源的整体性能。
而衡量高频变压器的好坏，除了要考虑一般变压器中涉及的效率、运行特性等方面，还要考虑到其交直流损耗、漏感、线圈本身分布参数等诸多方面影响。
本文主要介绍高频变压器具体参数的确定、及其在设计过程应当注意的问题及并提出相应的解决办法。
关键词：开关电源；高频变压器；设计要点1 开关电源之高频变压器的主要构成及分类从广义上来说，凡以半导体功率的开关器件为开关管，经对开关管进行高频开通以及关断控制，会将电能形态转化为其他电能形态装置，这就是所谓的开关转换器。
用开关转换器作为主要的组成部件，以闭环自动控制来稳定它的输出电压，并且在电路中增加保护环节电源，此为开关电源。
若用高频DC/DC 转换器作为开关电源工作时的开关转换器则就成为高频开关电源。
高频开关电源基本的路线是由开关型的功率变换器，整流滤波电路，交流直线转换电路以及控制电路组成。
高频开关电源变压器分类方式：(1)按照驱动方式的不同可以分为他激式和自激式；(2)按照电路的拓扑结构可以分为隔离式和非隔离式；前者包括正激式，反激式与半桥式，全桥式，推挽式；后者包括降压型与升压型等；(3)按照输出输入间是否有着电器隔离，可将其分为隔离式与非隔离式；(4)按照DC 转换器/DC 开关条件，可将其分为硬开关以及软开关。
2 开关电源之高频变压器的设计要点2.1 整体设计对于实用的可调开关电源，需能控制输出电压在合适的范围内调节，并且保证电流不超过所设计的最大值。
高频开关电源变压器的优化设计及其应用研究摘要：在开关电源当中，变压器是实现核心性能的关键技术组件，因此要把控合理设计与应用。
本文通过分析高频开关电源变压器的构成及发展现况，进一步分析了变压器的优化设计方向与实际应用。
关键词：优化设计；变压器；高频开关电源引言：目前的开关电源正不断向高频化的方向发展，因此其相应的变压器装置也开始采用高频形式，基于此，本文主要围绕着高频开关电源变压器的内部设计展开的研究，希望能够对高频开关电源变压器的实际应用有所帮助。
1.高频开关电源变压器的构成及发展现况1.1高频开关电源变压器的构成与分类高频开关电源变压器中，其开关器件是基于半导体功率，因此也可称之为开关管，而控制开关管在高频下进行关闭与开通操作，从而实现将某种电能的形态转换为其他类型电能形态，这种性能的装置就叫做开关转换器。
以开关转换器为关键部件，再利用闭环自动控制方式对输出电压进行稳定处理，同时，整个电路中还配有相应的保护电源，这种情况下的电源就叫做开关电源，而使用高频的转换器做电源开关工作的转换装置，就被称作高频开关电源，其一般是采用高频DC 转换器。
在高频开关电源当中，其运行的最基本路线包括整流滤波电路、开关型的功率变换装置、控制电路以及交流直线转换电路，而其相应的变压器装置可采用以下几种分类方式。
一是基于不同的驱动方式来划分为自激式驱动变压器以及他激式驱动变压器；二是根据电路的拓扑结构来划分变压器类型，具体可分为两类，包括隔离式变压器与非隔离式变压器，其中隔离式变压器装置还可划分为半桥式变压器、全桥式变压器、反激式变压器、正激式变压器以及推挽式变压器，非隔离式变压器则包括升压型变压器与降压型变压器；三是基于输入与输出之间是否存在电器隔离来划分变压器类型，有电器隔离则为隔离式变压器，无电器隔离则为非隔离式变压器；四是基于DC的开关条件或DC转换器类型来划分，可分为软开关型变压器与硬开关型变压器[1]。
1.2开关电源技术的发展现况电源从上世纪60年代开始就得到使用，一开始大部分使用电源的电子产品都是线性电源结构，这种电源在原理上存在许多局限，且电源本身的体积大、重量高，还具有损耗大的缺点，随后，一种基于开关调节器的直流稳压电源逐渐将其取代，对于开关电源技术的集中化研究开始于上世纪90年代，当时使用的开关电源是基于DC/DC转换器，并采用脉冲宽度调制方式来实现功能，随后还有许多新型电源材料逐渐问世，包括高频磁性材料以及半导体材料，这些材料的应用也使得开关电源的频率得到进一步增长，当前，国内外的开关电源技术都已经实现市场化发展，国内自主研发的开关电源变压器装置也逐渐变多，但大部分变压器的频率较小，高频开关电源变压器的研究还有待加强，近年来，随着对高频开关电源变压器的研究力度加大，该项技术的发展也得到了跨越式的进步[2]。
大功率开关电源方案概述大功率开关电源方案是一种高效、稳定的电源供应方案，广泛应用于需要稳定电压和大功率输出的设备中，例如工业设备、通信设备和车载设备等。
本文将介绍大功率开关电源的原理和设计要点。
原理大功率开关电源是通过开关管和变压器实现的。
其主要原理是将输入的交流电转换成高频脉冲信号，经过变压器降压后，输出所需的稳定直流电。
具体的工作原理如下： 1. 输入电压经过整流滤波电路，转换为稳定的直流电。
2. 控制电路将直流电转换为高频的脉冲信号。
3. 脉冲信号通过变压器实现降压，并输出给输出端。
4. 输出端通过电压稳定电路保持输出电压的稳定性。
设计要点选择开关管选择合适的开关管是大功率开关电源设计的关键。
开关管的选择应满足以下要求： - 能够承受高电流和高压。
- 具有低开启/关断损耗，以提高整体效率。
- 具有良好的热稳定性，以确保工作时的可靠性。
- 适合设计要求的封装类型和工作温度范围。
常见的开关管有金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极性晶体管（IGBT）等。
根据具体的设计需求选择合适的开关管。
控制电路设计控制电路是大功率开关电源的核心部分，负责将直流电转换为高频脉冲信号。
其设计要点如下： - 选择合适的控制器芯片，具有稳定的工作性能和丰富的保护功能。
- 设计恰当的反馈回路，实现对输出电压和电流的稳定控制。
- 设计良好的过温保护和过载保护电路，确保设备的安全运行。
变压器设计变压器在大功率开关电源中起到重要的降压作用。
其设计要点如下： - 根据输出功率和电压要求，选择合适的变压器结构和材料。
- 设计合理的绕组和层间绝缘，以提高变压器的效率和可靠性。
- 考虑到变压器的损耗和热量，进行散热设计，确保温度在安全范围内。
- 进行合适的屏蔽和隔离措施，减小干扰和电磁辐射。
输出稳定性设计输出稳定性是大功率开关电源的重要指标之一。
为保证输出稳定性，需注意以下设计要点： - 选择合适的输出滤波电容和电感，以减小输出纹波。
变压器的损耗﹑效率和温升要准确地计算出开关电源变压器的损耗﹑效率和温升,使其与实侧值相符是难以做到的但作如下的近似估算,其结果还是有一定的参考价值 1.铁耗:e V T D Fe V P k k p =()W (3-16)式中: e V ----磁心的有效体积(3cm 或3m ,与V P 的单位相对应);D k ----考虑到变压器感应电势的波形为矩形波而引入的附加铁耗系数,且与脉 冲的占空比D 有关;T k ----与变换器拓扑有关的铁耗系数: 正激﹑反激变压器,可取4.0≈T k ; 推挽﹑桥式变压器,0.1=T k至於磁心的比损耗V P ,可根据预计磁心的温度T (应小于80℃)﹑变换器的工作频f 和工作磁密的幅值m B (将其视作正弦波的幅值),用补插法由磁心生产厂家提供的bma T V B Kf P =)(曲线族和有关资料而查得｡ 2.铜耗:)(222121r I r I k p Cu Cu += ()W (3-17) 式中: 21,I I ----原﹑副边绕组电流的有效值)(A ; 21,r r ----原﹑副边绕组的直流电阻)(Ω;Cu k ----考虑趋肤效应﹑邻近效应和电流波形为矩形波而引入的附加铜耗系数 Cu k 与变换器的工作频率和占空比﹑绕组所用单根铜线的直径﹑多胶绞合线单位长度内的绞扭数以及绕组的分布和排列有关 3.效率:变压器的总损耗为:Cu Fe p p p +=∑ ()W (3-18) 变压器的效率为: ∑+=pP P 00η(3-19)4.温升:变压器绕组的平均温升T ∆(℃)与变压器的总损耗∑)(W p 和热阻(th R ℃)/W 成正比,其计算公式如下:∑∆=∆p R K T th T (℃) (3-20) 自然散热时,系数T K ∆= 1;采用强迫通风等散热措施时,系数T K ∆< 1热阻th R 与变压器磁心的形状和散热的表面积等有关,初步估算变压器的温升时,可采用表3-4所提供的自然散热时的th R 值代入式(3-20)来计算表 3 - 4 常用磁心的热阻(摘自EPCOS 产品目录)变压器绕组所用的绝缘材料(包括铜线的漆膜),按其最高的允许工作温度不同,分为A ﹑E ﹑B ﹑F ﹑H ﹑C 等六个等级,各绝缘等级的最高允许工作温度m ax T 如表3-5所示 表 3 - 5若绝缘材料的工作温度低於m ax T ,则变压器可以长期安全地运行(例如20年)但当绝缘材料的工作温度高於m ax T 时,由於绝缘材料的热老化,其寿命将大为缩短,每增高10℃,其寿命约缩短一半(例如10年) 因此在设计变压器时,必须使绕组最热点的的温度不超过表3-5中所列出的值考虑到变压器绕组最热点的温度与绕组的平均温度之差为d T ∆,当环境温度为a T 时,变压器绕组的允许平均温升为:a d T T T T -∆-=∆max (3-21)按国际标准IEC 1046的规定,在环境温度为25℃时,对应於各绝缘等级的绕组的允许平均温升值如表3-6所示 表 3 - 6。
