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
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。
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
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
参考文献
1电子变压器专委会，电子变压器手册，沈阳：辽宁科技出版社，1998.10。
1电子变压器专委会，电子变压器手册，沈阳：辽宁科技出版社，1998.10。
2中华人民共和国电子工业部，开关电源变压器计算方法，SJ/Z2921—88北京,1998。
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