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解析开关电源对开关变压器的要求及技术特性

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  • 更新日期:2020-03-09 09:50
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详细介绍
本文在简介开关电源对开关变压器的要求的基础上,重点论述了开关电源变压器的特性及普通开关变压器面临的挑战。

开关电源在市场发展中主要追求的目标是:效率高、体积小(轻薄短小)、成本低,因此对开关电源中的开关变压器提出以下几方面要求。

(1)效率

开关电源要求效率高的主要原因是节能和环保,也就是从“绿色电源”概念提出来的。由于开关电源的应用量大面广,可以显著减少所需的电能,也就减少发电厂数量,减少发电厂排放的废气废水和灰潭对环境的污染。现在要求100W以下的小功率开关电源效率超过85%。中大功率开关电源效率超过90%。

 变压器 和电感器的损耗一般占开关电源的15%左右,要求变压器效率超过95%~98%,其原因是要求减少开关电源的待机损耗。因为变压器的空载损耗和空载电流是造成待机损耗的主要原因之一。现在开关电源的待机损耗要求小于10%,因此,变压器空载损耗只能小于5%,最好小于2%。效率高,发热小,可减少散热面积和体积。

(2)体积

开关电源追求轻薄短小,是它在市场发展中的热门话题,其中变压器和电感器的小型化是最大的难点,受到国内外专家们的普遍关注。表示它的指标是功率密度,希望能达到100W/in3以上。

为了适应开关电源小型化的需要,首先是提高工作频率,其次是改变结构。工作频率提高到250kHz,比20kHz~40kHz的功率密度会显著增加。但是高频损耗也显著增加,可通过改用新的磁性材料和线圈结构来解决;高频电磁干扰也显著增加,可采用抗干扰滤波器和低磁滞伸缩材料来解决。现在开关电源的最高工作频率已达到25~30MHz。1~2MHz在小型开关电源中已比较普遍。

开关变压器结构经历三次创新换代:第一次是平面变压器、体积和重量比立体变压器(普通变压器)减少80%,已形成从5W~20kW,20kHz~2MHz的产品,效率典型值为98%。第二次是片式变压器,对低压大电流特别适用,高度(厚度)进一步降低,电流可达100A以上,采用一个次级绕组多个磁芯组成,代替以前的一个磁芯多个绕组。多个磁芯的初级绕组串联,从而达到降压隔离的要求。内部温升比平面变压器低,只有10℃左右。可以装在额定温升更高的基板上工作。第三次是薄膜变压器,采用薄膜后高度低于1mm。工作频率超过1MHz,达到10~100MHz。由于采用集成电路工艺制造,成本并不增加,是开关电源变压器的最新发展方向。

在现阶段,不同的应用范围和市场,从性能价格比出发,要求的变压器结构形式也不一样。立体变压器仍然大量使用。平面变压器已形成系列,正在推广。片式变压器处于个别和小批量生产阶段。薄膜变压器只是个别情况,仍处于研究开发阶段。因此,开关变压器不单要关注研究开发的新变压器,而且更要关注大量生产的变压器。即使改进某个部件,某个工艺环节,也会取得良好的效益。

(3)成本

开关电源和任何商品一样,在市场发展中都要考虑成本。作为开关变压器也回避不了成本问题。为了降低开关变压器成本,第一个手段是设计,采用的原材料、结构形式对成本有决定性作用。因此在设计开关变压器时,一定要综合考虑开关电源的工作条件,当时原材料的水平和价格,设计出性能满足要求成本最低的开关变压器产品。第二个手段是生产制造工艺,尽量采用工模具和机械加工,减少加工工时,以减少生产成本。在检测中,采用短时间即可确认产品性能的方法,减少检查工时。加强管理,从备料到产品包装出厂,各个生产环节都尽量减少工时和费用。第三个手段是减少生产的附加费用。包括设计选用的原材料和配件尽可能通用,减少种类和降低库存量,以及尽快缩短交货时间减少产品成品库存量,还有对检测中被剔除的产品进行处理,回收能用的原材料和配件等。

开关变压器是开关电源主要服务对象之一,开关电源市场在中国有比较大的发展。为了推进开关电源市场的发展,对开关变压器提出了高效率、小体积、低成本的要求,以便适应市场发展的要求。

变压器领域的革新技术关键是降低变压器的成本,解决普通变压器的过热点、工艺复杂以及漏感高的问题。新型扁平式变压器具有体积小、隔离好、密度高、功率大、漏感小及电流均分的特点。鉴于这种新型扁平式变压器所具备的上述特点,使它成为DC/DC变换器中理想的部件。比如说,一个普通的输出电压为5V;电流150A半桥式DC/DC变换器,采用了这种部件后,该变换器厚度仅为12mm。其输出能力超过了所有小外形电源。此外,由于这种扁平式变压器的漏感极低、散热特好,所以比其它一半输出电流的电源在工作温度上要低得多。同时在满负载条件下,该开关电源的效率高达82%以上,而该开关电源的变压器、电感器部件的效率为98.5%。

目前的DC/DC变换器广泛采用半桥、全桥、推挽式结构,因此采用体积小、漏感低、散热好及成本低的扁平式变压器,是为设计变换器提供的一个绝佳选择方案。

 

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