高頻低造型電源變壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要

探討了高頻低造型電源變壓器設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，給出了平板式繞組的設(shè)計(jì)制作方法。該方法能自動(dòng)串連繞組各層導(dǎo)體，從而解決了繞組各層導(dǎo)體之間的連線問題，避免了焊接，大大提高了器件的可靠性和繞組對(duì)磁心窗口的利用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用這種方法制作的變壓器漏感小、效率高，特別適合用于分布式高功率密度的開關(guān)電源模塊當(dāng)中。文中還給出了高頻低造型電源變壓器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，這不僅使得設(shè)計(jì)過程更靈活、快捷，也使得設(shè)計(jì)結(jié)果更可靠。

關(guān)鍵詞

高頻低造型變壓器繞組制作計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

Abstract:Thispaperdiscussestheissuesrelatedtohigh－frequencyandlow－profilepowertransformers.Anewdesignandfabricationmethodforplanarwindingshasbeenpresented.Itautomaticallyseries－connectseachlayerofthewinding,thussolvingtheproblemofinterlayerconnections,andeliminatingexternalsoldering.Italsogreatlyimprovesthereliabilityofthecomponentandtheutilizationofthewindowarea.Experimentalresultshaveshownthatthenewmethodcanresultinlowleakageinductance,highefficiency,andisparticularlyusefulforthedesignofinductorsandtranstformersusedinlow－profileandhigh－power－densityconvertermodules.Finally,acomputer－aideddesignofhigh－frequencyandlow－profilepowertranstormershasbeengiven,whichallowsthetransformerdesigntobefaster,

moreflexibleandreliable.

Keywords:HighfrequencyLowprofileTransformerwindingFobricationComputer－aideddesign

1引言

　　隨著開關(guān)電源的普遍應(yīng)用，廣大用戶對(duì)電源模塊也提出了更高的要求，諸如效率高、性能可靠、體積小，而且對(duì)模塊的整體高度往往也有限制，因而高頻低造型磁性元件的研究日益受到重視。這種新型磁性元件的磁心呈扁平狀，高度很?。ǖ陀?cm），繞組也不再采用傳統(tǒng)的實(shí)心圓導(dǎo)線或絞合線來繞制，而是用柔性或剛性的印刷電路板來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)體呈平板狀。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不但可省去繞組固定架，提高了窗口的利用率，而且有利于散熱、減小漏感和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。另外，由于電流沿導(dǎo)體寬度方向分布，因而可減小趨膚效應(yīng)所引起的損耗。缺點(diǎn)是采用印刷電路板制作多層繞組時(shí)往往需另加焊孔以連接相鄰導(dǎo)體，當(dāng)匝數(shù)較多時(shí)設(shè)計(jì)制作便很復(fù)雜。美國(guó)A.J.Yerman等人發(fā)明了一種無須焊接的繞組制作方法，但這種方法需要兩層導(dǎo)體才能形成一匝，因而沒有有效地利用已經(jīng)有限的磁心窗口高度。

　　變壓器的設(shè)計(jì)還涉及到磁心和繞組的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及繞組布置問題，傳統(tǒng)的變壓器設(shè)計(jì)一般都是先根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算磁心窗口面積和磁心橫截面積的乘積，然后再選用合適的磁心，確定繞組匝數(shù)、激磁電感等，但這種方法只限于低頻應(yīng)用。當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)（100kHz以上），變壓器的鐵損和銅損都會(huì)明顯增大，且與變壓器磁心和繞組的結(jié)構(gòu)及相對(duì)布置密切相關(guān)?，F(xiàn)今的用戶對(duì)電源模塊的體積特別是高度都有要求，使得設(shè)計(jì)者趨向于采用低造型電源變壓器。如果還是采用傳統(tǒng)的方法，那么設(shè)計(jì)出來的變壓器就會(huì)很難滿足要求，即使?jié)M足要求，也不一定是最佳設(shè)計(jì)。

    本文將給出一種新穎的折疊式繞組設(shè)計(jì)和制作方法，先將銅片加工成所要求的形狀，然后再折疊成繞組，每層銅導(dǎo)體所形成的匝數(shù)提高到5/6匝。另外還給出了用這種方法制作繞組的低造型變壓器和電感器在開關(guān)電源中的具體應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果。最后根據(jù)高頻變壓器的銅損和鐵損與幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、頻率之間的關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，針對(duì)用戶的使用要求，尋找體積最小即功率密度最大的電源變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這種方法不但快捷，而且使得設(shè)計(jì)者能方便地調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，直到得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2高頻低造型電源變壓器的研制與應(yīng)用

2.1多層印刷電路板型及“z”字形折疊式繞組

　　D．V．D．Linde等人于1991年報(bào)導(dǎo)了用印刷電路板工藝制作多層繞組及應(yīng)用，圖1所示的是其采用的繞組導(dǎo)體串連方法，圖中的端1和端2是繞組的引出端。圖中所示的是一“匝數(shù)為6”（當(dāng)然可以更大）的繞組，它實(shí)際上是由三個(gè)雙面PCB組成，每個(gè)雙面PCB的上下層導(dǎo)體則由“局部焊孔”相連。每層導(dǎo)體都有向外伸出的“連接銅片”，相鄰的雙面PCB正是靠這些“連接銅片”上的焊孔相連。如果要求的繞組匝數(shù)較多，連接點(diǎn)和連接線就會(huì)很多，例如當(dāng)繞組匝數(shù)僅為10時(shí)就得有20個(gè)連接點(diǎn)和11條連接線。當(dāng)繞組匝數(shù)較多時(shí)也未必能實(shí)現(xiàn)繞組的制作，因?yàn)?ldquo;連接銅片”的多少受磁心尺寸的限制。連接點(diǎn)增多不僅給制作帶來難度，同時(shí)也影響可靠性。為了解決連線以及焊接問題，A.J.Yerman等人發(fā)明了“z”字折疊式繞組，先用柔性PCB腐蝕制成一定形狀的銅片，見圖2，然后再折疊成繞組。圖中的繞組是以“z”字折疊4個(gè)半匝的柔性PCB而成，總匝數(shù)為2。它實(shí)際上是由位于頂層以實(shí)線表示的導(dǎo)體7和底層以虛線表示的導(dǎo)體8折疊而成，而繞組的一匝實(shí)質(zhì)上是由頂層的半匝和底層的半匝形成。端5和端6是引線端，虛線1、2和3為折疊線，9為絕緣材料，4為留給磁心心柱的通孔。這種方法的好處是避免了焊接，提高了整個(gè)元件的可靠性，但由于需要兩層銅箔才形成整一匝，當(dāng)匝數(shù)要求較多，而磁心高度又有要求時(shí)，繞組的高度便滿足不了要求。

圖1多層PCB型繞組的連接                                圖2“Z”字型折疊4個(gè)半匝的
                                                                            柔性PCB而成的匝數(shù)為2的繞組

2.2一種折疊式繞組的新設(shè)計(jì)

    圖3所示的即是一種新的折疊式繞組設(shè)計(jì)圖樣，虛線為折疊線?？梢钥闯?，由于相鄰環(huán)形導(dǎo)體中心連線之間有一定的夾角α，每一環(huán)形導(dǎo)體所形成的匝數(shù)實(shí)際上只有（1－α/360），最大數(shù)值為5/6（α=60o）。與前面所介紹的折疊式繞組設(shè)計(jì)相比，這種新方案使得設(shè)計(jì)者在磁心窗口高度受到限制時(shí)有可能得到較多的線圈匝數(shù)，或并聯(lián)繞組以減小損耗和提高電流容量。為了與“z”字形繞組折疊方法相區(qū)別，稱新的設(shè)計(jì)方法為“5/6匝”繞組折疊法。新設(shè)計(jì)除了可省去焊接程序，減少連接電阻，還提高了磁心窗口高度的利用率，缺點(diǎn)是相鄰折疊線不平行，交錯(cuò)布置初級(jí)和次級(jí)繞組以減小漏感和高頻損耗不是很方便。

    當(dāng)然，對(duì)于E型磁心，也可以用類似的方法來設(shè)計(jì)其繞組。圖4即為適合E型磁心的方形繞組展開圖。端1和端2為電流流入和流出端。該圖樣經(jīng)折疊后形成匝數(shù)為5的繞組。

圖3折疊式繞組新設(shè)計(jì)

圖4適合E型磁心的方形繞組展片圖

2.3低造型變壓器的研制與測(cè)試結(jié)果

　　為了驗(yàn)證新的繞組設(shè)計(jì)方法的可行性和可靠性，作者設(shè)計(jì)制作了低造型變壓器和濾波電感器，并將其用于一有源箝位同步整流正激式DC/DC變換器當(dāng)中，見圖7。其額定功率為50W，輸入、輸出電壓各為48V和5V，開關(guān)頻率為200kHz。圖中的C2為箝位電容，其作用是在主開關(guān)關(guān)斷期間，將主開關(guān)兩端的電壓Uds箝在一定的數(shù)值水平上，保持不變，從而避免了開關(guān)管V2上過大的電壓應(yīng)力。另外，采用有源箝位技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)變壓器磁心的自動(dòng)復(fù)位，無須另加復(fù)位措施，還可使得激磁電流正負(fù)方向流動(dòng)，使磁心在磁化曲線第一和第三象限上運(yùn)行，從而提高了磁心的利用率。

　　變壓器所用的磁心結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示，其材料為MnZn鐵氧體，磁導(dǎo)率為1000。初級(jí)和次級(jí)繞組導(dǎo)體的厚度分別為0.1mm、0.15mm（頻率為200kHz時(shí)銅導(dǎo)體的趨膚深度約為0.2mm），層數(shù)分別為12和4，實(shí)際匝數(shù)比為10：4。先用CAD軟件設(shè)計(jì)畫好繞組的展開圖樣，然后用數(shù)控切割機(jī)加工銅片得到所要求的繞組圖樣。當(dāng)然，在批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)考慮用沖床等設(shè)備來加工銅片繞組。圖3和圖6分別為初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的展開圖樣。沿著折疊線依次折疊便成繞組。如果忽略引線和折疊的影響，繞組的直流電阻即為各層圓環(huán)導(dǎo)體的直流電阻之和。繞組的直流電阻可按下式計(jì)算：

Rdc=2πρNl/twln(r0/r1)(1)

式中:Rdc——繞組的直流電阻；

Nl——銅導(dǎo)體層數(shù)；

ρ——銅導(dǎo)體的電阻率;

　　tw——銅導(dǎo)體厚度；

　　r0——繞組的外半徑；

        r1——繞組的內(nèi)半徑。

圖5Q型磁心結(jié)構(gòu)尺寸

圖6電源變壓器副邊繞組展開圖

　　相鄰導(dǎo)體用介電常數(shù)小、耐壓性能好的絕緣膠帶實(shí)現(xiàn)電氣隔離。次級(jí)繞組被夾于初級(jí)繞組中間，因而漏感很小，為0.464μH，僅占激磁電感的1.5％。交流電阻（見表1）可根據(jù)Dowell模型來計(jì)算：　　(2)

式中：Rac——繞組的交流電阻；

　　M=△(sinh2△＋sin2△)/(cosh2△－cos2△)

　　D=2△(sinh△－sin△)/(cosh△＋cos△)　　△=tw/δ;δ（趨膚深度）=

　　f——開關(guān)頻率；

　　μo——真空磁導(dǎo)率，μo=4π×10－7。

　　濾波電感器也采用相同的磁心，只是留了約1mm的氣隙以防止磁心飽和及減小由于直流偏置所引起的損耗。電感器的繞組由兩個(gè)具有相同匝數(shù)的繞組并聯(lián)而成，以減少銅損。所制作的變壓器和電感器整個(gè)磁心高度僅為8mm。[!--empirenews.page--]

　　變壓器的輸入和輸出功率測(cè)量方法是這樣的：先將實(shí)測(cè)到的繞組兩端的電壓和流過的電流瞬時(shí)值相乘，然后再算得乘積在一個(gè)或多個(gè)周期內(nèi)的平均值，即為變壓器的輸入或輸出功率。這個(gè)過程通過TektronixA6302數(shù)字示波器來完成。為了避免高頻對(duì)測(cè)量的影響，繞組兩端分別接示波器的兩個(gè)輸入通道，之間的電壓差即為繞組兩端的電壓。示波器的第三個(gè)通道則輸入通過電流探頭（TektronixA6302）測(cè)得的電流波形。

　　表1低造型電源變壓器和電感器的參數(shù)

　　圖8所示的為該變壓器效率與輸入功率之間的關(guān)系。可以看出，該變壓器具有很高的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)變換器的輸出功率為50W時(shí)，即使是在自然通風(fēng)冷卻情況下，該變壓器也沒有明顯溫升（<50℃），這主要取決于它小的功耗和良好的散熱性能。整個(gè)變換器效率與輸出功率的關(guān)系見圖9。由于采用了同步整流技術(shù)，該變換器具有較高的變換頻率，在輸出功率

為50W時(shí)的效率接近90％。

概括起來，“5/6匝”低造型變壓器繞組折疊制作法具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免了相鄰導(dǎo)體之間的焊接；

圖7有源箝位同步整流正激式DC/DC變換器

圖8變壓器效率和輸入功率關(guān)系

圖9變換器效率與輸出功率關(guān)系

（2）可以在最大程度上利用磁心窗口高度，提高窗口填充系數(shù)；

（3）使得加工過程中的銅材料損耗為最少；

（4）制作方法簡(jiǎn)單、快捷，而且干凈、不污染環(huán)境；

（5）使設(shè)計(jì)者可以根據(jù)具體應(yīng)用，選用不同厚度的銅片材料；

（6）特別適合應(yīng)用于高頻高功率密度的開關(guān)電源模塊中。

3高頻低造型電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1高頻變壓器損耗模型

（1）磁心損耗模型

　　變壓器的鐵損主要由磁滯和渦流效應(yīng)導(dǎo)致，磁滯損耗一般認(rèn)為是由磁材料的磁疇運(yùn)動(dòng)及磨擦而導(dǎo)致的。磁滯損耗與頻率成正比，而渦流損耗與頻率的平方成正比。此處將采用最為常用的磁損耗功率密度（單位體積）計(jì)算公式：

Pc=kBmfn(3)

式中k為損耗系數(shù)，B為磁通密度峰－峰值，f為磁場(chǎng)交變頻率，k、m、n與磁材料的特性有關(guān)，可從磁材料供應(yīng)商給出的損耗曲線得出。在高頻時(shí)由于渦流效應(yīng)的影響，因而磁心中磁力線呈不均勻分布，但當(dāng)采用具有高電阻率的鐵氧體軟磁材料作為磁心材料時(shí)，渦流很小，對(duì)磁力線分布的影響可忽略，因而可認(rèn)為磁心橫截面上的磁力線分布是均勻的。對(duì)于圖10所示的E－E型磁心，其損耗為：

　　Pc=kfnΦm(2W2L)1－m(2Hw＋W)(4)

（2）繞組損耗模型

　　P.L.Dowell雖然在對(duì)電磁場(chǎng)作了一維的近似下建立了簡(jiǎn)捷的變壓器銅損和漏感的計(jì)算模型，但該模型使用起來很方便。可將之用于預(yù)測(cè)高頻變壓器的銅損和漏感，實(shí)現(xiàn)高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在高頻應(yīng)用時(shí)，為了減少銅損和提高電流容量，繞組導(dǎo)體通常采用扁平狀銅片，而且每層只有一圈導(dǎo)體，如圖10和圖12所示，這樣可使電流沿導(dǎo)體的寬度方向分布，減少由于趨膚效應(yīng)所導(dǎo)致的損耗，另外也有利于減少變壓器的整體高度。如果忽略各層導(dǎo)體連接點(diǎn)的影響，對(duì)于匝數(shù)為N的繞組，其直流電阻為：

Rdc=2Nρ(L＋Wc＋2Ww)/(Ww－2dw)tw(5)

式中tw、dw分別是導(dǎo)體厚度和繞組與磁心之間的間隙，由于高頻效應(yīng)，繞組的電阻會(huì)有明顯增大，繞組的交流電阻可表示為：

　　Rac=FrRdc(6)

式中Fr為交流與直流電阻之比，它與磁心及繞組的幾何尺寸和布置有關(guān)?；赑.L.Dowell模型可知，在初次級(jí)繞組分開布置時(shí)Fr值為：

Fr=M＋[D(N2－1)]/3(7)

式中：N——從零漏磁場(chǎng)處開始算起的繞組層數(shù)；

　　M=△(sinh2△＋sin2△)/(cosh2△－cos2△)

D=2△(sinh△－sin△)/(cosh△＋cos△)

△=tw/δ,δ是頻率為f時(shí)的趨膚深度。

初次級(jí)繞組交錯(cuò)布置時(shí)Fr的計(jì)算較為復(fù)雜，現(xiàn)舉一例加以說明。當(dāng)其中一繞組被另一繞組夾于中間，而且其圈數(shù)為偶數(shù)，零漏磁場(chǎng)線正好將該繞組分成兩半（即兩邊的導(dǎo)體層數(shù)皆為整數(shù)）時(shí)，F(xiàn)r可根據(jù)式（7）來計(jì)算，但其中的N應(yīng)為實(shí)際繞組圈數(shù)的一半；當(dāng)其繞組導(dǎo)體層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，見圖11，相應(yīng)的交直流電阻比例系數(shù)Fr

　　在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，磁心的形狀也不一定局限于E型，如果選用其他形狀，銅損和鐵損可按相應(yīng)的計(jì)算公式來計(jì)算。[!--empirenews.page--]

　　當(dāng)變壓器用于開關(guān)電源當(dāng)中時(shí)，流過繞組的電流波形并不是正弦波，含有高次諧波，因而僅僅考慮基波的影響是不夠的。合適的做法應(yīng)是先求得電流波形的諧波分量，然后分別求得對(duì)于各電流諧波分量的繞組損耗。為了計(jì)算對(duì)于電流諧波分量的繞組損耗，就須算出各諧波頻率下的交直流電阻比例系數(shù)Fr，這可以用式（7）或（8）求得。

3.2算法設(shè)計(jì)

    基于前面所介紹的變壓器損耗模型，便可編寫尋找最小有效體積磁心的程序，其流程如圖14所示。當(dāng)輸入變換器拓樸、變壓器效率、磁心高度、材料及輸入輸出電壓、功率等參數(shù)后，此程序便會(huì)自動(dòng)改變變壓器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸，然后計(jì)算相應(yīng)的損耗及效率，尋找滿足給定最大磁通密度、最小激磁電感和磁心高度等要求的體積為最小的磁心，并給出相應(yīng)的磁心幾何結(jié)構(gòu)尺寸及銅損、鐵損等。圖中ηo、Bsat、Ve、Ae、Le和Hco分別表示變壓器目標(biāo)效率、磁材料的飽和磁通密度、磁心的有效體積、有效截面積、磁路長(zhǎng)度及磁心允許高度。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）選擇開關(guān)電源拓樸，如正激式或反激式。

（2）根據(jù)輸入輸出電壓以及開關(guān)控制方波脈沖占空比確定初次級(jí)繞組匝數(shù)比，對(duì)于正激式開關(guān)電源：

nps=Np/Ns=DUi/Uo(11)

式中：nps為初次級(jí)繞組匝數(shù)比，Np為初級(jí)繞組匝

數(shù)，Ns為次級(jí)繞組匝數(shù)，D為開關(guān)控制方波脈沖占空比，Ui為初級(jí)輸入電壓，Uo為電源輸出電壓。

（3）將初級(jí)繞組匝數(shù)Np設(shè)為一定值，同時(shí)便可得到次級(jí)繞組匝數(shù)Ns。

（4）選定初次級(jí)繞組的布置方式：分開獨(dú)立布置或初次級(jí)繞組交錯(cuò)布置。繞組布置方式確定以后，便可計(jì)算初次級(jí)繞組在不同諧波頻率下的交直流電阻比例系數(shù)Fr。

（5）分別計(jì)算初次級(jí)繞組的電流ip（t）、is（s）及各諧波的幅值大小，以便于計(jì)算繞組的損耗，包括高頻損耗。

（6）在設(shè)定范圍內(nèi)，依次改變磁心和繞組的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，如磁心高度hc、寬度W、窗口深度L、窗口寬度Ww和導(dǎo)體厚度tw等，而后分別計(jì)算一定幾何結(jié)構(gòu)下的磁心損耗Pc和繞組損耗Pw。

（7）計(jì)算變壓器的效率η和磁通密度Bmax

變壓器的效率為：

η=P0/(P0＋Pc＋Pw)(12)

對(duì)于正激式有源箝位開關(guān)電源：

Bmax=UiDT/4NpAe(13)

式中T為控制方波脈沖周期。

（8）尋找體積最小并且滿足效率要求（>目標(biāo)效率ηo）、磁通密度要求（<0.5Bsat）的磁心及繞組幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。如不滿足效率等要求，重復(fù)（3）至（8）過程。如滿足效率等要求，便結(jié)束尋找過程，輸出變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

　　根據(jù)以上條件及要求，即可寫出求解最小磁心體積的數(shù)學(xué)模型：

　　minVe=2AeLe

　　subHc≤Hco，Bmax≤0.5Bsat，η≥ηo

表2列出了利用該設(shè)計(jì)程序得到的用于有源箝位正激變換器中的變壓器設(shè)計(jì)結(jié)果。該變換器的輸入電壓分別為48V和5V，額定功率為200W，工作頻率為200kHz，變壓器繞組的匝數(shù)比Np∶Ns=6∶2，采用每層只有一圈導(dǎo)體，磁心材料為MnZn鐵氧體。為減少高頻損耗和漏感，初次級(jí)繞組采用交錯(cuò)布置方式，兩次級(jí)繞組先并聯(lián)后再將初級(jí)夾于中間。當(dāng)然為了充分保證變壓器工作的可靠性，在優(yōu)化程序的約束條件當(dāng)中還應(yīng)加上變壓器的允許溫升極限、導(dǎo)體的最大允許電流密度等。變壓器溫升的計(jì)算牽涉到變壓器熱力學(xué)模型建立問題，而傳統(tǒng)的變壓器熱力學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒灰欢ㄟm合于高頻低造型變壓器。這將在后續(xù)的工作中作深入研究。

表2高頻低造型變壓器設(shè)計(jì)結(jié)果

3.3影響磁心體積因素的進(jìn)一步探討

為了能得到較為滿意的高頻低造型變壓器設(shè)計(jì)，就必須對(duì)影響變壓器性能的因素及其影響程度有深刻的了解。鑒于此，作者利用上述設(shè)計(jì)程序，進(jìn)一步研究了磁心體積、磁心高度、頻率、效率等之間的關(guān)系。所采用的變換器拓?fù)浜?.3節(jié)中介紹的相同，變壓器繞組匝數(shù)比為6∶2。當(dāng)初級(jí)繞組被夾于兩并聯(lián)的次級(jí)繞組之間時(shí)，變壓器磁心最小體積與頻率的關(guān)系如圖15所示。磁心體積起初隨著頻率的提高而明顯減小，達(dá)到最小值后，反而隨著頻率的提高而增大。輸出功率越大，增大的速度越快。磁心體積隨著頻率的提高而增大有兩方面的原因，一是由于頻率提高時(shí)，趨膚效應(yīng)愈加厲害，因而為了達(dá)到相同的效率，就要求導(dǎo)體的寬度增寬以減小高頻損耗，這就使得磁心的橫向尺寸增大，體積也隨著增大；另一方面，磁心損耗跟頻率和磁心尺寸有關(guān)，頻率愈高，尺寸愈小，損耗就愈大，故頻率提高時(shí)為了保持損耗不變，就必須增大磁心的尺寸，體積自然也就增大。

圖15變壓器磁心最小體積與頻率的關(guān)系

    圖16為變壓器最小體積與效率曲線。顯然，效率高的變壓器體積也大，但兩者并不是呈線性關(guān)系。由圖可知，變壓器的效率并不是越大越好，因?yàn)楫?dāng)效率很高時(shí)，體積很快地增大，最合適的效率應(yīng)取在曲線的膝點(diǎn)處。對(duì)于輸出功率為100W的變壓器，效率取98.5％較為合適。當(dāng)導(dǎo)體層數(shù)多時(shí)，導(dǎo)體的厚度并不是取一個(gè)趨膚深度或較之大的值才能提高效率和減小磁心體積。事實(shí)上，取一個(gè)趨膚深度作為導(dǎo)體的厚度時(shí)，不但磁心的體積較導(dǎo)體厚度取優(yōu)化值時(shí)（導(dǎo)體優(yōu)化厚度由優(yōu)化程序?qū)ふ覜Q定）的大，而且磁心高度也較大，見圖17各圖18。因?yàn)閷?dǎo)體層數(shù)較多時(shí)，繞組的損耗會(huì)由于漏磁作用而更厲害，只有減小導(dǎo)體厚度并增大其橫向尺寸才能保證銅損不致于過高，因而磁心的體積也隨著增大。

4結(jié)論

　　本文介紹了低造型高頻磁性元件繞組設(shè)計(jì)制作方法，并給出了一種新的繞組設(shè)計(jì)制作方案。具體設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果表明，將采用這種新型繞組的磁性元件用于開關(guān)電源，不但功耗和溫升?。?lt;50℃），而且使得整個(gè)電源模塊的體積和高度都減小。新的繞組設(shè)計(jì)制作方法還可以大大節(jié)省銅材料，因而很有實(shí)用性。本文還給出了用于高頻開關(guān)電源中的變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同的是，該設(shè)計(jì)算法考慮了高頻對(duì)銅耗和鐵損的影響，并且根據(jù)需要，可方便地調(diào)整變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)，如高度、底面積等，最終給出有效體積為最小磁心的結(jié)構(gòu)及繞組導(dǎo)體厚度等參數(shù)，可用于具體設(shè)計(jì)當(dāng)中。另外，還利用該設(shè)計(jì)程序，進(jìn)一步研究了磁心體積、磁心高度、頻率及效率等之間的關(guān)系。

圖16變壓器最小磁心體積與效率的關(guān)系

圖17導(dǎo)體厚度固定為一個(gè)趨膚深度和取代優(yōu)化值時(shí)的變

壓器最小磁心體積與頻率曲線比較

圖18導(dǎo)體厚度固定為一個(gè)趨膚深度和取代優(yōu)化值時(shí)的

變壓器磁心高度與頻率曲線比較