高頻開關電源(Switch Mode Power Supply——SMPS)以其高效率、小體積等優點,在當今電子領域得到廣泛應用。在不斷提高SMPS功率密度的研究過程中,采用高的變換頻率是必然的選擇;在高頻下,變壓器的體積理論上應比20~150 kHz時小得多,但其前提是在高頻、同等工作磁通密度下磁性材料具有與低頻下可比的磁芯損耗,而目前的功率鐵氧體材料在頻率高于200 kHz時,允許工作磁通密度急劇下降,一般僅為百分之幾甚至千分之幾特時才能達到可接受的磁芯損耗。因此,高頻下變壓器的設計主要受功率損耗的限制,即在給定傳輸功率下,選取盡可能小的磁芯和繞組參數,使得整個變壓器由損耗所引起的溫升在設計范圍內。
對于在高頻下的功率變壓器設計,實際上沒有可以一次完成的良好流程,其原因在于很多參數相互間存在著制約關系,因此必須采用計算機對諸如工作磁通密度DB、繞組匝數、繞組線徑、并繞數目等參數進行反復嘗試,以求得在滿足溫升條件、綜合性能與可行性(如并繞匝數不能過多)的變壓器設計。其中較為有利的條件是磁芯種類與參數是有限的,如磁芯材料特性、磁芯物理尺寸等。但從另一方面講,這對變壓器設計的充分優化也是一種限制,至少簡化了優化流程。
對工作在500 kHz以上的高頻功率鐵氧體磁芯及繞組材料(如漆包線、銅帶等)是非常有效的。同時,可自動選取不同的繞組形式,在滿足磁芯窗口利用率的前提下,降低變壓器的高頻銅損。該流程可滿足大部分高頻變壓器的設計要求。為進一步完成變壓器優化設計工作,以下幾個方面的問題還需著重考慮:
1)變壓器磁芯中的熱分布是不均勻的,尤其是芯柱的溫度,因此要構建更為準確的變壓器熱模型,以防止由此帶來的變壓器工作特性變化。
2)對于繞組的漏感、層間電容等寄生參數,必須加以深入研究,因為在高頻下,若SMPS采用傳統的PWM方式,這些參數將導致電路工作的不穩定。若采用諧振方式,這些參數關系到諧振回路參數的設計。
3)對于非平衡的電路拓撲結構,變壓器必須采用加氣隙的方式以防止磁芯飽和。但本優化設計方法目前只考慮了未加入氣隙的情況,雖然在高頻下加入氣隙可能導致變壓器漏感的急劇加大,但就設計的完整性而言仍有缺陷。