摘要：开关电源是一种直流稳压电源，它具有效率高，发热量低，重量轻，体积小以及性能较为稳定的特点，如今广泛应用在工业、军事电子设备等各个领域，发展成为现代电子设备必不可少的重要组成部分，近些年来，成为许多国家研究的热点问题，尤其是发达国家对开关电源更加关注。由于开关电源是高频变压器的重要组成部件，因此当前对于高频开关电源变压器的研究与应用也是非常的多。尽管如此，当前由于我国技术等方面的原因，我国对于高频开关电源变压器的研究还有待进一步提高，存在的技术问题应进一步去解决；只有这样我们才能不断创新，赶超发达国家的技术水平。
关键词：高频开关；变压器；优化设计；应用
1 开关电源技术的发展
70年代,高效率开关稳压电源开始发展起来。在80年代,提高开关频率,在电源小型化方面取得了显著成效。另一方面,提高开关频率,随之引起开关损耗和开关电漏显著增大的问题又突出起来。于是,一时间,开关电源小型化的推进止步不前。其后,作为降低开关损耗和开关电漏的技术,提出了以共振型变流器和有源箝位电路为基础的各种软开关技术,进行着进一步小型化、高效率的开发工作。
2 高频开关电源的基本原理
高频开关电源是将交流输入(单相或三相)电压变成所需的直流电压的装置。基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图1所示,高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压,通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压,再经高频变压器隔离变换,输出所需的高频交流电压,最后经过输出整流滤波电路,将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。
图1
3 高频开关电源变压器的优化设计
3.1.1优化目标
高频开关电源变压器优化的目标是尽量使变压器体积向更小的方向发展，因为只有重量达到更轻，频率达到更高，才能保证温升，从而使得分布参数和绝缘满足设计的前提条件。为将变压器的效率实现最大化，需要注意的是，在设计的过程中，应该遵循以下两个基本原则：第一，保证变压器的铜损和铁损二者相等。第二，保证在初次绕组时，变压损耗相呈相等状态。此外，为使得变压器的体积尽量缩小，在设计时必须采用合适的磁芯和绕组结构，以此保证设计的正常进行。
3.1.2 设计参数选取
分布参数，高频变压器的主要分布参数通常是漏感、分布电容。在高频下，分布参数对开关电源性能会产生关键影响。在开关式的变换器上，漏感可以致使电压尖峰，此时电路中的部分器件会受此影响，发生不必要的破坏。同时，分布电容可能会引起电流尖峰，且可以大幅度延长充电时间，从而开关和二极管会受此影响，发生大规模损耗，进而降低变压器效率及可靠性。因此，在这样的工作模式种，需要尽量降低变压器的分布参数。此外，对于谐振式的变换器而言，能够吸收、利用变压器分布参数。所以在这种模式下，要求必须准确设计分布电容和漏感的值。
3.1.3 优化设计方法
现阶段，纳米晶带材的可用磁心结构主要分为矩形与环形。在磁心结构确定后，根据变压器自身指定的工作条件，初级绕组匝数和绕组结构直接决定了变压器的磁芯截面积大小，绕组尺寸和磁心的窗口面积。因此，对于矩形和环形这类磁心结构，一般是需要对不同层次和匝数下，变压器的体积、重量以及损耗等进行具体的比较，进而对高频开关电源变压器采取更加优质的设计方案。
3.2大功率高频开关电源设计
3.2.1硬件电路
大功率高频开关电源硬件电路设计中的整体结构，因为硬件电路是开关电源设计中的基础，所以其直接关系到电源的效率与性能。整体结构中，取消以往的硬件模拟电路，在设计的过程中，按照输入保护、滤波、高频逆变的要求，规范整体结构中的模块，利用横向开关分析，明确整流级别、输出整流级以及中间逆变级，在纵向开关电源的作用下，设计驱动级、控制级与功率级。大功率高频开关电源设计与传统结构不同，应该简化电路设计，将电路以及驱动电路，集成到PWM控制器内，实现电路简化，提高电路自身的抗干扰能力，以便提高电源应用的灵活性，PWM控制上，开关电源设计后，将其改为数字化集成芯片，提高主控器的控制作用。
2.2.2软件电路
大功率高频开关电源设计的软件电路，合理选择我控制器，明确电源设计的编程环境和语言，编写核心控制器的程序。软件电路设计时，按照由下向上或者由上向下的顺序，设计出可用的软件电路，提高大功率高频开关电源的效率，选择模块化的设计方法，细化软件电路中的模块，规划出物理、驱动、处理与应用层次，保障系统具备移植性与易读性，利用开关即可设置大功率高频开关电源的设计，选择相应的模式。软件电路在大功率高频开关电源设计中，与硬件相互配合，充分发挥软件电路的作用，进而提高大功率高频开关电源设计中软件电路的工作水平，保证软件电路在开关电源设计的有效性，避免软件电路出现工作负担。
4 高频开关电源变压器的应用
高频开关电源主要应用在变电站直流系统中，在变电站系统分析阶段，需要提前对系统功能进行掌握，以直流系统作为基础，要做好线路分析和布控工作，以设备调整方式为例，如果存在不合理的布控或者控制难度大的现象，则会导致直流控制系统难度比较大。 在信号以及电路分析阶段必须对设备出现位置进行调整，使其适应变电系统流程要求。 在安装和改造阶段，布线的控制起到突出作用，要按照运行要求进行。
5 结束语
开关电源是一种直流稳压电源，它具有效率高，发热量低，重量轻，体积小以及性能较为稳定的特点，如今广泛应用在工业、军事电子设备等各个领域，发展成为现代电子设备必不可少的重要组成部分，近些年来，成为许多国家研究的热点问题，尤其是发达国家对开关电源更加关注。由于开关电源是高频变压器的重要组成部件，因此当前对于高频开关电源变压器的研究与应用也是非常的多。尽管如此，当前由于我国技术等方面的原因，我国对于高频开关电源变压器的研究还有待进一步提高，存在的技术问题应进一步去解决；只有这样我们才能不断创新，赶超发达国家的技术水平。
参考文献
[1]甘焯欣.高频开关电源变压器优化设计分析[J].电子制作,2016,02:28.[2017-08-21].
[2]琚斌.压电变压器新型无电感驱动拓扑结构的研究[D].中国科学技术大学,2016.
[3]王朝辉.开关电源结构及高频变压器优化设计研究[D].湖南科技大学,2014.
论文作者:苏晓敏,李沛,张少磊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/25
标签：开关电源论文; 电路论文; 变压器论文; 变换器论文; 电压论文; 绕组论文; 电源变压器论文; 《电力设备》2017年第24期论文;