功率变压器的设计、制作和测试

功率变压器的设计制作和测试张怀武。钟华斌电子科技大学电子信息材料与器件工程中心，成都610054分本文主要介绍功率变压器的基本理论和设计方法，并结合当前发展状况，以单端反激式开关电源用变压器为例，详细论述了变压器的具体设计制作过程，并且对样品进行测试和对比分析，为探究有效的测试分析方法和进步的研究提供重要参考。

1前言功率变压器以传输各种信号的功率为己任，己成为现代电子设备的重要组成部分。功率变压器的应用场合很广泛，有些用来传输单频信号的功率，如用在功率分配网络中的变压器；有些用来传输窄频信号的功率，如用做超声波发生器的输出变压器；还有些用来传输宽频带信号的功率，如用做天线匹配变压器14.随着开关电源的发展，为功率变压器的应用提供了更为广阔的发展空间。目前，我国生产的开关屯源变吒器，尚处产仿制阶段，外形结构尺寸等都与引进的国外样品个样，电能参数也都以外的产品说明；为依据，虽然，前1内已确定丁。和1.1两种彩电机型中的开关屯源变压器方案，并1生产出彩电用，8系列600系列081系列开关电源变压器，其中如80系列设计己符合瓜正0标准，但是要形成像610型工频频电源变压器那样的设汁制造体系尚有难度，因此，开展优化设计等是我们收稿日期2002孤05修回日期20020923今后需努力的目标。这都使得功率变压器的设计和制作显得尤为重要，行之有效的测试和分析方法，能为变压器的设计改进工作提供有力的保证56.

理，并按要求实际设计和制作了单端反激式功率变压器。系统探究了变压器静态参数测试的原理和方法，并对测试结果进行了分析。

2功率变压器的基本理论2.1自感及互感系数，个电路或线圈中的电流所激发的磁场通过身的全磁通称为自感磁通，此磁通身电流成正比，其比例系数称为自感系数。即1=识7，其中，1为感系数出，为自感磁通，为屯流入。个屯路或线中的电流所激发的磁场通过临近电路或线圈的全磁通称为互感磁通，该磁通与引起它的电流成正比，其比例系数称为互感系为互感系数，供，识2为互感磁通，12为第第路或线，的电流入，2.2磁路感性器件为了增大电感量0值和缩小体积，通常采用软磁材料作为磁芯，使磁力线较集中地通过线内部。这种利铁磁物质供磁乃线通过的路径结构的总体称为磁路。磁路定律有两条1又寸于磁路中任包围面，在任何时刻，穿过该包围面磁路中任闭合路径，在任时刻，沿该闭合路径磁路中的磁通等尸磁位差4磁路磁阻之比。

2.3漏磁及损耗当含磁芯的线圈通过电流时，在磁芯中产生磁通，该磁通的绝大部分是在磁芯中流迎形成闭介路径，其中有小部分是经过线圈周围介质形成闭合路径。前者称为主磁通，后者称为磁迎。产生这现象的原因是，相对于电导体和电绝缘体之间的电导率差异程度而言，空气等周围介质的磁导率和磁芯的磁导率之间的差异程度并不是太大。磁路系统的漏磁，对感性器件来说，漏磁形成的漏感越小越好，因为它给感性器件带来些不良影响。在感性器件样品设计与生产过程中，要想消除漏感影响，实际上是较为困难的，这跟工艺技术有很大关系。合理配置初级次级绕组位置，选取合适的绕组电阻值，选择磁导率较小的绝缘材料，确定合理和涡流损耗。磁滞回线所包围的面积就是磁滞损耗界，般可采用如下的经验公式计算1.6，2.。公工作步页本7厂是磁芯体积，足是系数。涡流损耗般可用1式计算其中，系数取决于磁芯材料形状片厚；是作频率；汉，是磁感应强度大值；是磁芯体积。

3开关电源变压器设计的般理论磁芯选择。变压器功率与磁芯材料和结构尺寸有关，可根据变压器的设计功率和电磁感应定律，由下式计算出结构参数窗他枳12为变甩器的计算功率，单端反激式开关电源变压器的尸心为输出功磁性材料及器件2003年4月率；为开关电源频率1；7为变压器效率，般取0.60.8；为屯流密度，般取2.5，36入12；尺。为窗口利用系数，般取23.

初级绕组电感量。单端反激开关电源变压器工作有调频调宽两种情况。调频时，在时间内变压器储能，而在时间7内储能全部传给负载；在调宽时，7，内储能，在7内储能未能全部释放完，还有部分能量在下个7内就要映射到初级绕组上。因此，初级电感量计算公式是不同的。对于调频式单端反激开关电源变压器，初级绕组电感量对于调宽式单端反激开关屯源变压器，初级绕组电感量其中，为初级绕组电感量闩1为，小输入直流电压，为占空系数，7为周期，初级电感量应控制在其中，忍为有效磁路长度。，为有效磁导率。对开气隙磁芯定义，4.其中，+为输入电压，队为输出直流电压，以为续流极管压降通常为，为变压器漏感压降通常为0.075.应当注意，若次级绕组为多绕乳则应分别求各自的变比。

其中，为第次级绕组匝数，叹。为第次级绕组变比，=2，为变压器初级绕稂匝数，电压，7为导通时间。

初级电流有效值由于初级电流波形为银齿波，故其中，4为第次级绕组电流有效值；7，为第次级绕组输出直流平均电流，为常数波整流，对电感负栽，=，对电阻负载，=1.57.

电负载及线包屯流密度计算。电负载的定义为磁芯窗口而积内的全部电流数。各绕组的电流密度相等，则有其中，7为安匝数。线位的屯流密度为其中，电流密度。般，2，7612为常数，般取0.5.7，1为骨架的绕线窗口面枳，般为磁芯窗口面积及的0.6，0.7倍。初级绕组的导线直径其中，1为初级绕组的有效电流。

次级绕组的导线直径2，为次级第组的有效电流。

这里应当注意，考虑到高频电流趋肤效应的影响，导线的1径不能大厂高频电流透深度的倍。

初次级绕组电阻。初级绕组电阻其中，凡为导线单位长度的电阻，1为初级绕组肢数，1为初级绕阻的平均匝长。次级第绕组化为次级第绕组匝数，人，2，为次级绕组的平均匝长。

初次级绕组损耗。初级绕组损耗其中心；1为初级绕组铜损；为漆包线电阻的温度补偿系数，为热态与冷态电阻之比。各次级绕组铜损各次级绕组铜损之和其中，4.为次级第绕组的有效电流，办。为次级第绕组的冷态电阻，为导线电阻的温度补偿系数。

变压器的全部绕组损耗15开关电源变器的磁芯损耗其中，为在相应和5条件下单位重量的损耗，7.为磁芯重量。

温升计算。开关电源变压器温升不应大于允许温升。对于不同的磁芯材料绝缘村料和环境温度，允许温升也不柞。也就站变乐器允许高工作度也不样。般地讲，对铁镍软磁合金坡莫合金磁芯，其允许高工作温度取决于绝缘村料的绝缘等级对铁闱体磁芯，其允许工作温度为1对于非品态软磁合金磁芯，前允许高工作温度为00对于铁基非晶态软磁介金可适当高些。

4设计实例设计制作个变压器=12，Ai=30W，分析根据要求可按单端反激式开关电源变压器设计方法设计，具体步骤如下其，他为工作的，景磁感应强度丁，对2铁氧体他般取0.25丁；电流密度7取2.5，3106入12，为经骀常数。从700，初步确电负载=5父3.525=7.725，⑴大电流密度户肩卢，肩，说，磁性材料及器件2003年4月碟下转36页信越化学工业公司提出了项0，618系合金制造新工艺采，高纯度的电解钴纯铁和片状铝及结晶硼为原料，在高频炉中熔炼后，以适当速度冷凝，按特定的1艺进热处埋，了得到矫顽力小于5.61饱和磁通密度大于74，1丁国内苜利研机构住磁性原子比的理论坫础研允高戌及高口炎合金的成分规律及其应用7，并研宄了掺杂对合金性能意义。

现今磁导率合金的研究热点在纳米晶方面，己取得了定的成果。在高频领域以纳米晶非晶薄带作磁芯的变压器的研究工作也己初成效。

4结束语当前高速发展的倍息社会向材料工业+断提出更高更新的需求，高磁导率软磁材料也面临同样的挑战，有了高性能的软磁材料才能为电子变压器等电子器件的平面化片式化及轻量化创造眺，目前我国高磁导率软磁材料的工业大生产和国外有不小的差距，原材料和工艺的稳定性较差，生产设备比较落后，需要我们不断努力，尽早赶上世界先进水平。

顾建成。尚磁导率软磁铁氧体材料研制动向习。磁性材徐锦华。高性能软磁铁氧体大生产及应用技术研讨会资料。汇编1观……

周志刚，等。铁氧体磁性材料。北京科学出版社，艾树涛，等。安徽大学学报自然科学版，1999，23131.

问谭维，等。高磁导宰锰锌铁氧体村料研究现状。1.锰毕业尸电子科技大学微电尸，体电子卞院，渎硕1研究生上接1页同上。

架，采用阻燃增强，61工程塑料压制或酚醛玻璃纤维塑料压制而成1外包绝缘，采用7度为层间绝缘，采用厚度为0.06，0.08，1彩色聚脂卡敏胶，2层；样品3初级，第层，22+23匝；次级，第层5匝，4，5=20股样品4，10初次级分层交叉绕制。初级，第层，22十23；次级，第层，5匝，4，5股。

4功率变压器的测试结果张怀武。抗电磁干扰材料与器件工艺成都电子科技大学出版社，2001.4.

朱吉甫。电子变压器网。成都电子科技大学出版社，1996.

过璧君。磁芯设计及应用。北京电子工业出版社，1989.

张怀武。磁性材料及器件，1997，28314.

国家长江计划特聘教授。先后在韩国幻8丁日本东京大学美国如3，丘公司意大利，丁公司俄罗斯丘0乌克兰基辅大学从事学习和技术交流。长期从事材料高磁导料料纳金剪；软磁。阳各，脉冲变压1变压器和薄膜变压器的研发工作先后获国际科学工程奖项，省部级奖6项，省部级鉴定项目20余项，大型技术转让项目2项，已创造2000万以上的产值。协助建设大型磁性企业3家，先后在国内外技术刊物发论文12，多篇。

出版著作两本，兼欧洲J.VacuumH材料学报01仙以1训违中；激光评1.中国。明磁会应用磁性材料行业协会材料制造协会委员，省学术与技术带头人，国防科技奖元器件评委，国家教委电子科技与技术教学指导委员会委员