30kHz高频开关电源变压器的设计概要.docx

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30kHz高频开关电源变压器的设计概要

30kHz高频开关电源变压器的设计

Designof30kHzHigh－frequencySMPSTransformer

　　南京电子技术研究所冯挹（南京210013）

   在传统的高频变压器设计中，由于磁心材料的限制，其工作频率较低，一般在20kHz左右。

随着电源技术的不断发展，电源系统的小型化，高频化和高功率比已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。

因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积，提高电源输出功率比的关键因素。

本文根据超微晶合金的优异电磁性能，通过示例介绍30kHz超微晶高频开关电源变压器的设计。

1变压器的性能指标

　　电路形式：

半桥式开关电源变换器原理见图1：

      工作频率f：

30kHz

　　变换器输入电压Ui:

DC300V

　　变换器输出电压U0:

DC2100V

　　变换器输出电流Io:

0.08A

　　整流电路：

桥式整流

　　占空比D：

1％～90％

　　输出效率η:

≥80％

　　耐压：

DC12kV

　　温升：

＋50℃

　　工作环境条件:

－55℃～＋85℃

2变压器磁心的选择与工作点确定

　　从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢、铁氧体材料已很难满足变压器在频率、使用环境方面的设计要求。

磁心的材料只有从坡莫合金、钴基非晶态合金和超微晶合金三种材料中来考虑，但坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为超微晶合金的数倍，而饱和磁感应强度Bs却为超微晶合金2/3左右，且加工工艺复杂。

因此，综合三种材料的性能比较（表1），选择饱和磁感应强度Bs高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。

图1

（1）钴基非晶态合金和超微晶合金的主要磁性能比较

材料

饱和磁感应强度/T

矫顽力/A·m－1

居里温度/℃

比损耗20kHz0.5T/W·kg－1

工作频率/kHz

工作温度/℃

超微晶合金

1.2

0.48～1.2

25

～150

～150

钴基非晶态

0.8

1.2

340

20

～100

～120

坡莫合金

0.7

1.99

480

30

～50

～200

　　磁心工作点的选择往往从磁心的材料，变压器的工作状态，工作频率，输出功率，绝缘耐压等因素来考虑。

超微晶合金的饱和磁感应强度Bs较高约为1.2T，在双极性开关电源变压器的设计中，磁心的最大工作磁感应强度Bm一般可取到0.6～0.7T，经特别处理的磁心，Bm可达到0.9T。

在本设计中，由于工作频率、绝缘耐压、使用环境的原因，把最大工作磁感应强度Bm定在0.6T，而磁心结构则定为不切口的矩形磁心。

这种结构的磁心与环形磁心相比具有线圈绕制方便、分布参数影响小、磁心窗口利用率高、散热性好、系统绝缘可靠、但电磁兼容性较差。

3变压器主要参数的计算

3.1变压器的计算功率

半桥式变换器的输出电路为桥式整流时，其开关电源变压器的计算功率为：

Pt=UoIo（1＋1/η）

（1）

将Uo=2100V,Io=0.08A,η=80％代入式

（1），可得Pt=378W。

3.2变压器的设计输出能力

变压器的设计输出能力为：

Ap=（Pt·104/4BmfKWKJ）1.16

（2）

式中：

工作频率f为30kHz，工作磁感应强度Bm取0.6T，磁心的窗口占空系数KW取0.2，矩形磁心的电流密度（温升为50℃时）KJ取468。

经计算，变压器的设计输出能力AP=0.511cm4。

3.3变压器的实际输出能力

铁基超微晶铁心及超微晶软磁合金通过省级技术鉴定

　　1999年10月24日，由江西省科委等机关委托主持的对江西大有科技有限公司研制的新产品DY－ON型铁基超微晶磁铁心和超微晶软磁合金通过了省级技术鉴定，获得与会专家学者的高度评价，一致认为这两项产品性能稳定，各项技术指标分别达到美国UL94－P标准和国标GBm292－89技术要求，在国内同类产品中具有特色。

　　非晶态（超微晶）软磁合金，是90年代世界六大高科技新型材料之一，它具有优异的特点，目前国内市场供不应求，前景广阔。

　　联系人：

江西省宜春市东风大街62号宜春地区粮食局（336000）方华平

   变压器的输出能力即磁心的输出能力，它取决于磁心面积的乘积（AP），其值等于磁心有效截面积（AC）和它的窗口截面积（Am）的乘积，即：

AP=ACAm（3）

   在变压器的设计中，变压器的输出能力必须大于它的设计输出能力。

在设计中，我们选用的矩形磁心的尺寸为：

10×10×39×13.4（即：

a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），实际AP达3.66cm4（其中磁心截面积的占空系数KC取0.7），大于变压器的设计输出能力0.511cm4，因此，该磁心能够满足设计使用要求。

3.4绕组计算

初级匝数：

D取50％，Ton=D/f=0.5/（30×103）=16.67μs,

忽略开关管压降，Up1=Ui/2=150V。

N1=Up1Ton10－2/2BmAc=（150×16.67）10－2

/（2×0.6×1×1×0.7）=29.77匝

取N1=30匝

次级匝数：

忽略整流管压降，Up2=Uo=2100V。

N2=Up2N1/Up1=（30×2100）/150=420匝

3.5导线线径

Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A

电流密度：

J=KjAp－0.1410－2=468×0.511－0.14

×10－2=5.14A/mm2

考虑到线包损耗与温升，把电流密度定为4A/mm2

（1）初级绕组：

计算导线截面积为Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2

初级绕组的线径可选d=0.63mm,其截面积为0.312mm2的圆铜线。

（2）次级绕组：

计算导线截面积为Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。

次级绕组的线径可选d=0.16mm的圆铜线，其截面积为0.02mm2。

为了方便线圈绕制也可选用线径较粗的导线。

4线圈绕制与绝缘

　　为减小分布参数的影响，初级采用双腿并绕连接的结构，次级采用分段绕制，串联相接的方式，降低绕组间的电压差，提高变压器的可靠性，绕制后的线圈厚度约为4.5mm。

小于磁心窗口宽度13.4mm的一半。

在变压器的绝缘方面，线圈绝缘选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸，提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力。

变压器绝缘则采用整体灌注的方法来保证变压器的绝缘使用要求。

5结束语

该超微晶开关电源变压器，环氧灌注绝缘后通过了产品的电性能检测和机载条件的环境试验，已用于机载设备，变压器的温升<35℃，工作效率达到90％以上，且波形质量优异，电性能参数稳定。

超微晶合金薄带是新型的软磁合金，电磁性能优异，价格低廉，环境适应能力强，在高频电磁元件领域具有广阔的应用前景，特别是在阵面雷达系统中的电源、激励变压器、电感等。

在100kHz的使用条件下，可以取代铁氧体、坡莫合金用作磁心材料。

电子变压器和电感器的国际标准及采用情况分析

李克文,陈浩,王冬梅,刘剑,胡滨

（全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会，四川绵阳621000）

摘要：

简述了电子变压器和电感器的IEC国际标准状况，讨论分析了国家标准、电子行业标准采用IEC国际标准的情况。

1概述

电子变压器是电力变压器以外的中小型变压器，主要用于通信和电子设备中，在电子线路中起着电磁能量的转换、隔离和阻抗匹配的作用，在信息产业技术中是一种不可代替的基础功能的磁性元件。

由于电子变压器的种类多、规格多、生产和使用单位多，随着商品交换和市场经济的发展，及我国加入WTO后对采用国际标准加快速度的要求，电子变压器的标准化就显得越来越重要，越来越迫切。

为了推动电子变压器标准化工作的全面开展，我们对电子变压器的IEC国际标准及采用情况进行简要分析，并对现行电子变压器和电感器的国家标准、电子行业标准以及国家军用标准进行了介绍。

2电子变压器国际标准的制定和归口

电子变压器的国际标准由国际电工委员会（IEC）第51技术委员会（TC51）《磁性元件与铁氧体材料》技术委员会负责制定，具体由TC51第9工作组（WG9）“感性元件组”负责并组织起草。

对应IEC/TC51的国家标准化技术组织是CSBTS/TC89“全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会”，全国磁标委员会受国务院标准化行政机构和信息产业部委托，承担IEC/TC51国际标准的国内技术归口工作，并承担磁性元件与铁氧体材料专业领域内的国家标准、行业标准的组织制定和技术审查工作。

3电子变压器和电感器的国际标准及采用情况

由于电子变压器和电感器同属于“感性元件”，同时由IEC/TC51第9工作组负责制定，因此下面对电子变压器和电感器标准一并进行介绍。

3．1电子变压器和电感器的国际标准及采用情况

IEC/TC51的标准到目前为止共有60个，其中属电子变压器和电感器的标准只有15个，占整个标准的25％，具体标准的名称及采用情况见表1。

从表1可知，15个电子变压器和电感器的国际标准中，有11个被采用为相应的国家标准或行业标准，采标率为73.3％，其中等同采用IEC标准的有5个，等同采用IEC/TC51（Sec）文件的有6个（GB/T14860－1993、SJ/T10615－1995、GB/T15183－1994、GB/T15184－1994、SJ/T16014－1995、SJ/T16015－1995），这6个采用的IEC/TC51（Sec）文件是现行IEC正式标准形成过程中的中间文件。

目前尚有4个IEC标准未被用作相应的国家标准或行业标准。

表1电子变压器和电感器的国际标准及采用情况

序号

国际标准号

国际标准英文名称

国标、行标号

标准名称

采用程度

1

IEC60852－1Ed.1.0－1986

Outlinedimensionsoftransformersandinductorsforuseintelecommunicationandelectronicequipment.－Part1:

TransformersandinductorsusingYEI－1laminations

GB/T14006.1－1992

通信和电子设备用变压器和电感器的外形尺寸第1部分：

采用YEI－1铁心片的变压器和电感器

等同

2

IEC60852－2Ed.1.0－1992

Outlinedimensionsoftransformersandinductorsforuseintelecommunicationandelectronicequipment－Part2:

transformersandinductosusingYEx－2laminationsforprintedwiringboardmounting

GB/T14006.2－1997

通信和电子设备用变压器和电感器的外形尺寸第2部分：

采用YEx－2系列用于印制电路安装式的变压器和电感器

等同

3

IEC60852－3Ed.1.0－1992

Outlinedimensionsoftransformersandinductorsforuseintelecommunicationandelectronicequipment－Part3:

TransformersandinductorsusingYUI－1laminations

GB/T14006.3－1997

通信和电子设备用变压器和电感器的外形尺寸第3部分：

采用YUI－1铁心片的变压器和电感器

等同

4

IEC60852－4Ed.1.0－1996

Outlinedimensionsoftransformersandinductorsforuseintelecommunicationandelectronicequipment－Part4:

TransformersandinductorsusingYUI－2laminations

通信和电子设备用变压器和电感器的外形尺寸第4部分：

采用YUI－2铁心片的变压器和电感器

暂未使用

5

IEC60852－5Ed.1.0－1994

Outlinedimensionsoftransformersandinductorsforuseintelecommunicationandelectronicequipment－Part5:

TransformersandinductorsusingtheseriesQofC－cores

通信和电子设备用变压器和电感器的外形尺寸第5部分：

采用C形磁心Q系列的变压器和电感器

暂未使用

6

IEC61007Ed.2.0－1994

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Measuringmethodsandtestprocedures

GB/T8554－1998

电子和通信设备用变压器和电感器测量方法和试验程序

等同

7

IEC61248－1Ed.1.0－1996

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Prat1:

Genericspecification

GB/T14860－1993

电子和通信设备用变压器和电感器第1部分：

总规范

等同采用51（Sec）260:

1991

8

IEC61248－2Ed.1.0－1996

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Prat2:

Sectionalspecificationforsignaltransformersonthebasisofthecapabilityapprovalprocedure

SJ/T10615－1995

电子和通信设备用变压器和电感器第2部分：

供能力认证用的信号变压器分规范

等同采用51（Sec）261:

1991

9

IEC61248－3Ed.1.0－1996

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Prat3:

Sectionalspecificationforpowertransformersonthebasisofthecapabilityapprovalprocedure

GB/T15183－1994

电子和通信设备用变压器和电感器第3部分：

供能力认证用的功率变压器分规范

等同采用51（Sec）262:

1991

10

IEC61248－4Ed.1.0－1996

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Prat4:

Sectionalspecificationforpowertransformersforswitchedmodepowersupplies（SMPS）onthebasisofthecapabilityapprovalprocedure

GB/T15184－1994

电子和通信设备用变压器和电感器第4部分；供能力认证用的开关电源分规范

等同采用51（Sec）263:

1991

11

IEC61248－5Ed.1.0－1996

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Prat5:

Sectionalspecificationforpulsetransformersonthebasisofthecapabilityapprovalprocedure

SJ/T16016－1995

电子和通信设备用变压器和电感器第5部分：

供能力认证用的脉冲变压器分规范

等同采用51（Sec）264:

1991

12

IEC61248－6Ed.1.0－1996

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Prst6:

Sectionalspecificationforinductorsonthebasisofthecapabilityapprovalprocedure

SJ/T16014－1995

电子和通信设备用变压器和电感器第6部分：

供能力认证用的电感器分规范

等同采用51（Sec）265:

1991

13

IEC61248－6Ed.1.0－1996

Transformersandinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Prat7:

Sectionalspecificationforhigh－frequencyinductorsandintermediatefrequencytransformersonthebasisofthecapabilityapprovalprocedure

GB/Txxxx－200x（2001年报批）

电子和通信设备用变压器和电感器第7部分：

从能力认证用的高频电感器和中频变压器分规范

等同

14

IEC61605Ed.1.0－1996

Fixedinductorsforuseinelectronicandtelecommunicationequipment－Markingcodes

电子和通信设备用固定电感器—标识码

暂未使用

15

IEC61797－1Ed.1.0－1996

TransformersandinductorsforuseintelecommunicationandelectronicEquipmentMaindimensionsofcoilformers－Prat1:

Coilformersforlaminatedcores

电子和通信设备用变压器和电感器—线圈框架的主要尺寸—第1部分：

叠片磁心的线圈框架

暂未使用

3．2电子变压器、电感器国际标准的特点

电子变压器和电感器的国际标准除EC61007

《电子和通信设备用变压器和电感器测量方法和试验程序》外，其余的标准都是以系列标准成套制定，先后发布，其中IEC60852.1、IEC60852.2、IEC60852.3、IEC60852.4、IEC60852.5都是采用不同铁心片和磁芯的电子变压器和电感器的外形尺寸系列标准；IEC61248.1、IEC61248.2、IEC61248.3、IEC61248.4、IEC61248.5、IEC61248.6、IEC61248.7是电子和通信设备用变压器和电感器总规范和分规范系列标准，IEC61248系列标准是供能力认证用的标准，是制定电子和通信设备用变压器和电感器产品标准的兰本和依据。

IEC61791系列标准是《通信和电子设备用变压器和电感器——线圈框架和的主要尺寸》标准，目前发布了该系列标准的第1部分IEC61791—1；1996，该标准是通信和电子设备用变压器和电感器中使用的叠片磁心线圈框架的主要尺寸标准。

电子变压器和电感器的国际标准成套制定，是其特点之一。

电子变压器和电感器的国际标准除多以系列标准制订外，另一个特点就是这二类标准基本上都是一起制定和发布，除IEC61605《电子和通信设备用固定电感器—标识码》外，其余的所有标准都以“电子和通信设备用变压器和电感器”或“通信和电子设备用变压器和电感器”为标准化对象，即标准名称中的引导要素相同，在标准的相同引导要素下，用不同的主体要素和补充要素以区别标准的个性特征。

3．3电子变压器和电感器国际标准的采用情况

整个IEC/TC51的国际标准现有60个，有40个标准已转化为相应的国家标准和/或行业标准，采用率（转化率）为66.7％。

属电子变压器和电感器的国际标准有15个，其中11个已转化为相应的国家标准或行业标准，采用率（转化率）为73.3％，高于整个磁性元件与铁氧体材料国际标准的采用率。

但是从表1看出，等同采用国际标准的只有GB/T14006.1－1992（idtIEC60852.

1:

1986）、GB/T14006.2－1997（idtIEC60852.2:

1992）、GB/T14006.3－1997（idtIEC60852.3:

1992）、GB/T8554－1998（idtIEC61007:

1994）GB/T××××－200×（idtIEC61248.7:

1997）。

IEC612484系列标准中除IEC61248.7:

1997今年已等同采用国家标准外，其余6个标准都是1996年发布的，在国际标准发布以前，我国先后于1993年、1994年、1995年发布了相同国际标准名称的国家标准和行业标准，但这些标准都是按51（sec）文件等同制定的，并且多数还不是国际标准发布前的最后一个51（sec）文件，因此按51（sec）260：

1991、51（sec）261:

1991:

51（sec）262:

1991、51（sec）263:

1991、51（sec）264:

1991、51（sec）265:

1991等同制定的GB/T14860－1993、SJ/T10615－1995、GB/T15183－1994、GB/T15184－1994、SJ/T16016－1995、SJ/T10614－1995等3个国家标准和3个行业标准在适当时候应该按现行的IEC正式标准进行修订，即按现行有效的IEC标准转化为相应的国际和行标。

在现行的电子变压器和电感器国际标准中尚有4个标准未能转化为相应的国家标准和行业标准，其原因是对这4个标准尚未进行分析，未列入标准制定计划中。

3．4电子变压器和电感器国际标准的发展

IEC国标电工委员会是由所有国家电工委员会（IEC国家委员会）组成的，所制定的标准采用推荐的形式。

电子变压器和电感器国际标准的发展有二个趋势，一个是完善现有的IEC61248供能力认证用的电子和通信设备用变压器和电感器标准系列，IEC60852通信和电子设备用变压器和电感器的外形尺寸标准系列，IEC61797通信和电子设备用变压器和电感器的线圈框架主要尺寸标准系列。

电子变压器和电感器国际标准发展的另一个趋势是创新的变压器标准的制定，即适应表面安装技术发展的平面变压器和电感器的标准制定，目前IEC62024《高频感性元件——电性能和测量方法》的标准系列已开始制定，IEC62024－1《高