1、引言

 

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)高(gao)頻(pin)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)設(she)計(ji)對(dui)於(yu)電(dian)路(lu)的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)和(he)各(ge)項(xiang)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)的(de)實(shi)現(xian)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)。加(jia)之(zhi)高(gao)頻(pin)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)設(she)計(ji)包(bao)括(kuo)很(hen)多(duo)細(xi)節(jie)知(zhi)識(shi)點(dian)，而(er)這(zhe)些(xie)細(xi)節(jie)內(nei)容(rong)很(hen)難(nan)被(bei)一(yi)本(ben)或(huo)幾(ji)本(ben)所(suo)謂(wei)的(de)“設計大全”一一羅列清楚[1－3]。

 

為了優化設計高頻磁性元件，必須根據應用場合，綜合考慮多個設計變量
，反複計算調整。

 

正由於此，高頻磁性元件設計一直是令初涉電源領域的設計人員頭疼的難題，乃至是困擾有多年工作經驗的電源工程師的問題。

 

很多文獻及相關技術資料給出的磁性元件設計方法或公式往往直接忽略了某些設計變量的影響
，作了假設簡化後得出一套公式
；或者並未交代清楚公式的應用條件
，甚至有些文獻所傳達的信息本身就不正確。

 

很多電源設計者並沒有意識到這一點
，直接套用設計手冊中的公式，或把設計手冊中某些話斷章取義，尊為“設計綱領”，而沒有進行透徹的分析和思考，以及實驗的驗證。

 

其結果往往是設計出來的高頻磁性元件不能滿足應用場合的要求，影響了研發的進度和項目的按期完成。

 

為wei了le使shi電dian源yuan設she計ji者zhe在zai設she計ji過guo程cheng中zhong，避bi免mian犯fan同tong樣yang的de錯cuo誤wu，為wei此ci，我wo們men針zhen對dui在zai學xue習xi和he研yan發fa中zhong遇yu到dao的de一yi些xie概gai念nian性xing的de問wen題ti進jin行xing了le總zong結jie，希xi望wang能neng給gei大da家jia提ti供gong一yi個ge借jie鑒jian。

 

2、一些錯誤概念的辨析

 

這裏以小標題形式給出開關電源高頻磁性元件設計中8種常見的錯誤概念，並加以詳細的辨析。

 

 

1)
、填滿磁芯窗口——優化的設計

 

很多電源設計人員認為在高頻磁性元件設計中，填滿磁芯窗口可以獲得最優設計，其實不然。在多例高頻變壓器和he電dian感gan的de設she計ji中zhong，我wo們men可ke以yi發fa現xian多duo增zeng加jia一yi層ceng或huo幾ji層ceng繞rao組zu
，或huo采cai用yong更geng大da線xian徑jing的de漆qi包bao線xian

，不bu但dan不bu能neng獲huo得de優you化hua的de效xiao果guo，反fan而er會hui因yin為wei繞rao線xian中zhong的de鄰lin近jin效xiao應ying而er增zeng大da繞rao組zu總zong損sun耗hao。

 

因此在高頻磁性元件設計中，即使繞線沒把鐵芯窗口繞滿
，隻繞滿了窗口麵積的25％，也沒有關係。不必非得想法設法填滿整個窗口麵積。

 

這(zhe)種(zhong)錯(cuo)誤(wu)概(gai)念(nian)主(zhu)要(yao)是(shi)受(shou)工(gong)頻(pin)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)設(she)計(ji)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)工(gong)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)，強(qiang)調(tiao)鐵(tie)芯(xin)和(he)繞(rao)組(zu)的(de)整(zheng)體(ti)性(xing)

，因(yin)而(er)不(bu)希(xi)望(wang)鐵(tie)芯(xin)與(yu)繞(rao)組(zu)中(zhong)間(jian)有(you)間(jian)隙(xi)，一(yi)般(ban)都(dou)設(she)計(ji)成(cheng)繞(rao)組(zu)填(tian)滿(man)整(zheng)個(ge)窗(chuang)口(kou)，從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)其(qi)機(ji)械(xie)穩(wen)定(ding)性(xing)。但(dan)高(gao)頻(pin)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)設(she)計(ji)並(bing)沒(mei)有(you)這(zhe)個(ge)要(yao)求(qiu)。

 

2)、“鐵損=銅損”——優化的變壓器設計

 

很多電源設計者，甚至在很多磁性元件設計參考書中都把“鐵損=銅損”列lie為wei高gao頻pin變bian壓ya器qi優you化hua設she計ji的de標biao準zhun之zhi一yi
，其qi實shi不bu然ran。在zai高gao頻pin變bian壓ya器qi的de設she計ji中zhong，鐵tie損sun和he銅tong損sun可ke以yi相xiang差cha較jiao大da
，有you時shi兩liang者zhe差cha別bie甚shen至zhi可ke以yi達da到dao一yi個ge數shu量liang級ji之zhi大da，但dan這zhe並bing不bu代dai表biao該gai高gao頻pin變bian壓ya器qi設she計ji不bu好hao。

 

這種錯誤概念也是受工頻變壓器設計的影響。工頻變壓器往往因為繞組匝數較多
，所占麵積較大
，因而從熱穩定、熱均勻角度出發
，得出“鐵損=銅損”這一經驗設計規則。

 

danduiyugaopinbianyaqi
，caiyongfeichangxideqibaoxianzuoweiraozu
，zheyijingyanfazebingbuchengli。zaikaiguandianyuangaopinbianyaqishejizhong，quedingyouhuashejiyouhenduoyinsu，er“鐵損=銅損”其實是最少受關注的一個方麵。

 

3)、漏感=1％的磁化電感

 

很hen多duo電dian源yuan設she計ji者zhe在zai設she計ji好hao磁ci性xing元yuan件jian後hou
，把ba相xiang關guan的de技ji術shu要yao求qiu提ti交jiao給gei變bian壓ya器qi製zhi作zuo廠chang家jia時shi，往wang往wang要yao對dui漏lou感gan大da小xiao要yao求qiu進jin行xing說shuo明ming。在zai很hen多duo技ji術shu單dan上shang，標biao注zhu著zhe“漏感=1％的磁化電感”或“漏感<2％的磁化電感”等類似的技術要求。其實這種寫法或設計標準很不專業。

 

電源設計者應當根據電路正常工作要求,對所能接受的漏感值作一個數值限製。在製作變壓器的過程中，應在不使變壓器的其它參數（如匝間電容等）變差的情況下盡可能地減小漏感值，而非給出漏感與磁化電感的比例關係作為技術要求。

 

因為漏感與磁化電感的關係隨變壓器有無氣隙變化很大。無氣隙時，漏感可能小於磁化電感的0.1％,而在有氣隙時，即使變壓器繞組耦合得很緊密，漏感與磁化電感的比例關係卻可能達到10％。

 

因(yin)此(ci)

，不(bu)要(yao)把(ba)漏(lou)感(gan)與(yu)磁(ci)化(hua)電(dian)感(gan)的(de)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)作(zuo)為(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji)指(zhi)標(biao)提(ti)供(gong)給(gei)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)生(sheng)產(chan)商(shang)。否(fou)則(ze)，這(zhe)將(jiang)表(biao)明(ming)你(ni)不(bu)理(li)解(jie)漏(lou)感(gan)知(zhi)識(shi)或(huo)並(bing)不(bu)真(zhen)正(zheng)關(guan)心(xin)實(shi)際(ji)的(de)漏(lou)感(gan)值(zhi)。正(zheng)確(que)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)規(gui)定(ding)清(qing)楚(chu)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de)漏(lou)感(gan)絕(jue)對(dui)數(shu)值(zhi)，當(dang)然(ran)可(ke)以(yi)加(jia)上(shang)或(huo)減(jian)去(qu)一(yi)定(ding)的(de)比(bi)例(li)
，這(zhe)個(ge)比(bi)例(li)的(de)典(dian)型(xing)值(zhi)為(wei)20％。

 

4)、漏感與磁芯磁導率有關係

 

有些電源設計者認為，給繞組加上磁芯，會使繞組耦合更緊密，可降低繞組間的漏感
；也有些電源設計者認為
，繞組加上磁芯後，磁芯會與繞組間的場相互耦合，可增加漏感量。

 

而(er)事(shi)實(shi)是(shi)，在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)，兩(liang)個(ge)同(tong)軸(zhou)繞(rao)組(zu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)漏(lou)感(gan)與(yu)有(you)無(wu)磁(ci)芯(xin)存(cun)在(zai)並(bing)無(wu)關(guan)係(xi)。這(zhe)一(yi)結(jie)果(guo)可(ke)能(neng)令(ling)人(ren)無(wu)法(fa)理(li)解(jie)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)
，一(yi)種(zhong)相(xiang)對(dui)磁(ci)導(dao)率(lv)為(wei)幾(ji)千(qian)的(de)材(cai)料(liao)靠(kao)近(jin)線(xian)圈(quan)後(hou)，對(dui)漏(lou)感(gan)的(de)影(ying)響(xiang)很(hen)小(xiao)。

 

通過幾百組變壓器的實測結果表明，有無磁芯存在，漏感變化值基本上不會超過10％，很多變化隻有2％左右。

 

5)、變壓器繞組電流密度的優化值為2A/mm²～3.1A/mm²

 

很多電源設計者在設計高頻磁性元件時
，往往把繞組中的電流密度大小視為優化設計的標準。

 

其qi實shi優you化hua設she計ji與yu繞rao組zu電dian流liu密mi度du大da小xiao並bing沒mei有you關guan係xi。真zhen正zheng有you關guan係xi的de是shi繞rao組zu中zhong有you多duo少shao損sun耗hao，以yi及ji散san熱re措cuo施shi是shi否fou足zu夠gou保bao證zheng溫wen升sheng在zai允yun許xu的de範fan圍wei之zhi內nei。

 

我們可以設想一下開關電源中散熱措施的兩種極限情況。當散熱分別采用液浸和真空時，繞線中相應的電流密度會相差較大。

 

在開關電源的實際研製中，我們並不關心電流密度是多大，而關心的隻是線包有多熱？溫升是否可以接受？

 

這zhe種zhong錯cuo誤wu概gai念nian，是shi設she計ji人ren員yuan為wei了le避bi免mian繁fan瑣suo的de反fan複fu試shi算suan，而er人ren為wei所suo加jia的de限xian製zhi，來lai簡jian化hua變bian量liang數shu
，從cong而er簡jian化hua計ji算suan過guo程cheng，但dan這zhe一yi簡jian化hua並bing未wei說shuo明ming應ying用yong條tiao件jian。

 

6)、原邊繞組損耗=副邊繞組損耗”——優化的變壓器設計

 

很(hen)多(duo)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)者(zhe)認(ren)為(wei)優(you)化(hua)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji)對(dui)應(ying)著(zhe)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)原(yuan)邊(bian)繞(rao)組(zu)損(sun)耗(hao)與(yu)副(fu)邊(bian)繞(rao)組(zu)損(sun)耗(hao)相(xiang)等(deng)。甚(shen)至(zhi)在(zai)很(hen)多(duo)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)設(she)計(ji)書(shu)中(zhong)也(ye)把(ba)此(ci)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)優(you)化(hua)設(she)計(ji)的(de)標(biao)準(zhun)。其(qi)實(shi)這(zhe)並(bing)非(fei)什(shen)麼(me)優(you)化(hua)設(she)計(ji)的(de)標(biao)準(zhun)。

 

在某些情況下變壓器的鐵損和銅損可能相近。但如果原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相差較大也沒有多大關係。

 

必須再次強調的是，對於高頻磁性元件設計我們所關心的是在所使用的散熱方式下，繞組有多熱？原邊繞組損耗=副邊繞組損耗隻是工頻變壓器設計的一種經驗規則。

 

7)、繞組直徑小於穿透深度——高頻損耗就會很小

 

raozuzhijingxiaoyuchuantoushendubingbunengdaibiaojiumeiyouhendadegaopinsunhao。ruguobianyaqiraozuzhongyouhenduoceng
，jishiraoxiancaiyongxianjingbichuantoushenduxideduodeqibaoxian

，yekenenghuiyinweiyouhenqiangdelinjinxiaoyingerchanshenghendadegaopinsunhao。

 

因此在考慮繞組損耗時，不能僅僅從漆包線的粗細來判斷損耗大小，要綜合考慮整個繞組結構的安排，包括繞組繞製方式、繞組層數、繞線粗細等。

 

8)


、正激式電路中變壓器的開路諧振頻率必須比開關頻率高得多

 

henduodianyuanshejirenyuanzaishejihejiancebianyaqishirenweibianyaqidekailuxiezhenpinlvbixubibianhuanqidekaiguanpinlvgaodeduo。qishiburan，bianyaqidekailuxiezhenpinlvyukaiguanpinlvdedaxiaobingwuguanxi。

 

我們可以設想一下極限情況：對於理想磁芯，其電感量無窮大，但也會有一個相對很小的匝間電容
，其諧振頻率近似為零，比開關頻率小得多。

 

真正與電路有關係的是變壓器的短路諧振頻率。一般情況下，變壓器的短路諧振頻率都應當在開關頻率的兩個數量級以上。

 

3、結語

 

為(wei)了(le)使(shi)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)者(zhe)在(zai)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)，少(shao)犯(fan)同(tong)樣(yang)的(de)錯(cuo)誤(wu)，就(jiu)我(wo)們(men)在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)研(yan)發(fa)中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)一(yi)些(xie)與(yu)高(gao)頻(pin)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)設(she)計(ji)相(xiang)關(guan)的(de)概(gai)念(nian)性(xing)問(wen)題(ti)進(jin)行(xing)了(le)總(zong)結(jie)，希(xi)望(wang)能(neng)起(qi)到(dao)拋(pao)磚(zhuan)引(yin)玉(yu)的(de)作(zuo)用(yong)。