高频开关电源变压器优化设计分析

       电源是各种电子设备必不可少的组成部分，它对于确保设备的正常运行起着非常关键的作用。同样，高频开关电源的核心部件是开关电源变压器，他能够对能量进行转换以及传输， 并且变压器是高频开关电源主要的体积与重量占有者，同时也是发热源 ；实现开关电源的小型轻量，平面智能等目标，开关电源的高频化尤为重要。

1 高频开关电源变压器的主要构成以及分类：

       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 高频开关电源变压器优化设计：

设计参数：

       高频变压器的设计参数之间相互依存和相互制约，因而在设计时我们应该对各参数进行合理折中，根据应用场合的不同，应当首先去满足那些占支配地位的影响因素，之后再权衡其他参数的影响。由于参数间的相互依存与制约，在设计时将所有参数都达到最佳是很难 做到的，例如，变压器效率与体积之间的矛盾，漏感与分布电容不能同时减小等。因此，在优化设计的过程中，我们选取了三个相对重要的参数进行分析。

温升：

       在变压器工作的过程中，铁芯以及绕组中的损耗会产生热量，使得变压器的温度升高，同时这些热量会通过辐射与对流的方式在周围环境中进行传递。我们应该对温升加以控制，从而防止绕组被烧，磁芯的性能下降和变压器热击穿等问题的出现。在变压器的温升计算中，一般会把磁芯和绕组的损耗合在一起， 并且假设热量经过磁芯与绕组后整个的表面积会均匀消散。

分布参数：

       漏感与分布电容是高频变压器的主要分布参数，分布参数在高频下对开关电源性能的影响十分重要。对于开关式的变换器，漏感能够导致电压尖峰，对电路中的部分器件产生不 必要的损坏，而分布电容则会引起电流尖峰并且延长充电的时间，会对开关和二极管造成较 大的损耗，从而使变压器的效率以及可靠性降低，所以，在此种工作模式下，我们会尽可能减小变压器的分布参数 ；而对于谐振式的变换器，可以吸收和利用变压器分布参数，可全作为谐振参数或者其中一部分，因而在这种模式下，应该准确设计分布电容与漏感的值。

损耗与效率：

        我们把输入功率和输出功率之差作为变压器功率损耗，将其分为两个分量 ：磁芯损耗与绕组损耗。在额定电压运行下，铁损一般不会随着负载电流的变化而变化，因而铁损通常也称为不变损耗 ；若忽略了励磁电流，铜损与负载电流的平方会成正比例关系，因而铜损也称为可变损耗。对变压器分别进行短路试验以及空载实验，分别测得在额定电压下铁损耗以及额定负载下铜损耗，其中，铁损在正常工作时保持不变，铜损则会随着负载的变化而变化。

优化目标:

       高频开关电源变压器优化的目标是使变压器体积更小，重量更轻，频率更高，同时能够保证温升，分布参数以及绝缘满足设计基本要求。为了实现变压器的效率最大化，在设计的过程中应该遵循两个基本的原则 ：首先保证变压器的铜损与铁损相等；其次，保证变压器在初次绕组时的损耗相等 ；同时为实现变压器的体积缩小的目标，我们应该尽量采取采用合适的磁芯与绕组结构。