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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½频率较½，一般在
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½用频率更高的电源变压器是降½电源系统½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½，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½指标
电路½式：半桥式开关电源变换器原理见图
1：
工½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％½90％
输出效率η:≥80％
耐压：DC12kV
温升：＋50℃
工½环境条件:－55℃½＋85℃
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2
变压器磁心的选择与工½点确定
从变压器的性½指标要求可知，传统的薄带硅钢、铁氧½材料已很难满足变压器在频率、½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，½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½比较（表
1）
，选择
饱和磁感应强度
Bs
高，温度稳定性½，价格½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½比较
材料
饱和磁感应强度/T
工 ½ 温 度
矫 ½ 力
/A·m
－ 居 里 温 度
比损耗
20kHz0.5T/W·kg－1
工½频率/kHz
1
/℃
/℃
0.48½1.2
1.2
1.99
340
480
25
20
30
½150
½100
½50
½150
½120
½200
超微晶合金
1.2
钴基非晶态
0.8
坡莫合金
0.7
磁心工½点的选择往往从磁心的材料，变压器的工½状态，工½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½磁感应强度
Bm
一般可取到
0.6½0.7T，经特别处理的磁心，Bm
可达到
0.9T。在本设计中，由于工½频率、绝缘耐压、½用环境的原因，把最大工½磁感应强度
Bm
定在
0.6T，而磁心结构则定为不切口的矩½磁心。这种结构的磁心与环½磁心相比具有线圈绕制方便、分布参数½响小、磁心窗口利用率高、散热性½、系统绝缘可靠、½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½力
变压器的设计输出½力为：
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Ap=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16（2）
KJ
式中：
工½频率
f
为
30kHz，
工½磁感应强度
Bm
取
0.6T，
磁心的窗口占空系数
KW
取
0.2，
矩½磁心的电流密度
（温升为
50℃时）
取
468。
经计算，
变压器的设计输出½力
AP=0.511cm4。
3.3
变压器的实际输出½力
铁基超微晶铁心及超微晶½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½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½稳定，各项技术指标分别达到美½
UL94－P
标准和½标
GBm292－89
技术要求，在½内同类产品中具有特色。
非晶态（超微晶）½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½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½力即磁心的输出½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½力必须大于它的设计输出½力。在设计中，我们选用的矩½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½力 0.511cm4，因此，该磁心½够满足设计½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,
½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：½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。
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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½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½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½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½的复合纤维绝缘纸，提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕½力。变压器绝缘则采用整½灌注
的方法来保证变压器的绝缘½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½检测和机½½条件的环境试验，已用于机½½设备，变压器的温升<35℃，工½效率达到
90％以上，且波½质量优异，电
性½参数稳定。超微晶合金薄带是新型的½磁合金，电磁性½优异，价格½廉，环境适应½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½用条件下，可以取代铁氧½、坡莫合金用½磁心材料。
参考文献
1
电子变压器专委会，电子变压器手册，沈阳：½宁科技出版社，1998.10。
2
中华人民共和½电子工业部，开关电源变压器计算方法，SJ/Z2921—88 北京,1998。
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