功率变压器是开关中十分主要的部件，它和一般变压器一样也是经过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中完成磁耦合的磁路不是一般变压器中的硅钢片，而是在高频状况下任务的磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性资料，其手段是为了取得较大的励磁电感、减小磁路中的功率消耗，使之能以最小的消耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。

脉冲变压器带来的波形失真主要有以下几个方面：

脉冲变压器输出、输出波形

（A）输出波形（B）输出波形

（1）下降沿和下降沿变得倾斜，即具有下降工夫和下降工夫；

（2）下降进程的末了时辰，有上冲，以至呈现振荡景象；

（3）下降进程的末了时辰，有下冲，也能够呈现振荡波形；

（4）平顶局部是逐步下降的。

这些失真反映了实践脉冲变压器和幻想变压器的差异，思索到各种要素对波形的影响，能够失掉脉冲变压器等效电路。

RSI——信号源UI的内阻

RP——一次绕组的电阻

RM——磁心消耗（对铁氧体磁心，能够疏忽）

T——幻想变压器

RSO——二次绕组的电阻

RL——负载电阻

C1、C2——一次和二次绕组的等效散布电容

LIN、LIS——一次和二次绕组的漏感

LM1——一次绕组电感，也叫励磁电感

N——幻想变压器的匝数比，N=N1/N2

脉冲变压器的等效电路

将电路的二次回路折合到一次，做近似处置，兼并某些参数，可得图3所示电路，漏感LI包括LIN和LIS，总散布电容C包括C1和C2；总电阻RS包括RSI、RP和RSO；LM1是励磁电感，和前述的LM1相同；RL′是RL等效到一次侧的阻值，RL′=RL/N2,折合后的输出电压U′O=UO/N。

经过这样处置后，等效电路中只要5个元件，但在脉冲作用的各段工夫内，每个元件并不都是同时起主要作用，我们晓得任何一个脉冲波形能够合成成基波与很多谐波的叠加。脉冲的下降沿和下降沿包括着各种高频重量，而脉冲的平顶局部包括着各种低频重量。因此在下降、下降战争顶进程中，各元件（L、C等）表示进去的阻抗也不一样，因此我们把这一进程分红几个阶段来剖析，辨别找出各阶段起主要作用的元件，而疏忽主要的要素。例如，当输出信号为矩形脉冲时，能够分3个阶段来剖析，即下降阶段、平顶阶段和下降阶段。

（1）下降阶段

关于一般的正脉冲而言，下降阶段即脉冲前沿，信号中包括丰厚的高频成分，当高频重量经过脉冲变压器时，在图3所示的等效电路中，C的容抗1/ΩC很小，而LM1的感抗ΩLM1很大，相比起来，可将LM1的作用疏忽，而在串联的支路中，LI的作用即较为明显。于是能够把图3所示的等效电路简化成图4所示的等效电路。

等效电路

简化电路

在这个电路中，频次越高，ΩLI越大，而1/ΩC越小，因此高频信号大多降在LI上，输出的高频重量就增加了，可见输出信号USM前沿中所包括的高频重量就不能完整传输到输出端，频次越高的成分抵达输出端越小，结果在输出端失掉的波形前沿就和输出波形不同，即发作了失真。

要想减小这种波形失真，就要尽量减小散布电容C（应减小变压器一次绕组的匝数）。但又要失掉必定的绕组电感量，所以需求用高磁导率的磁心。在绕制上也能够采取一些措施来减小散布电容，例如用分段绕法；为了减小漏感L1，可采用一、二次绕组交叠绕法等。

（2）平顶阶段

脉冲的平顶包括着各种低频重量。在低频状况下，并联在输出真个3个元件中，电容C的容抗1/ΩC很大，因此电容C能够疏忽。同时在串联支路中，LI的感抗ΩLI很小，也能够略去。所以又能够把图3电路简化为图5所示的低频等效电路。信号源也能够等效成电动势为USM的直流。

这里可用下述公式表达

U′O=(USMRL′)E－T/Τ/(RS＋RL′)

Τ=LM1(RS＋RL′)RSRL′

可见U′O为一下降的指数波形，其下降速度决议于工夫常数Τ,Τ越大，下降越慢，即波形失真越小。为此，应尽量加大LM1，而减小RS和RL′,但这是无限的。假设LM1太大，必定使绕组的匝数很多，这将招致绕组散布电容加大，以致脉冲下降沿变坏。

低频等效电路

脉冲下降阶段的等效电路

（3）下降阶段

下降阶段的信号源相当于直流USM串联的开关S由闭合到断开的阶段，它与下降阶段固然是{jd1}的进程，但有两个不同；一是电感LM1中有励磁电流，并开端开释，因此LM1不能略去；二是开关S断开后，RS便不起作用，由此得出下降阶段的等效电路。

一般来说，在脉冲变压器平顶阶段当前，LM1中存储了比拟大的磁能，因此在开关断开后，会呈现猛烈的振荡，并发作很大的下冲。为了消弭下冲常常采用阻尼措施。

2功率变压器的参数及公式

2.1变压器的根本参数

在磁路中，磁通集合的水平，称为磁通密度或磁感应强度，用B表示，单位是特斯拉（T），一般仍用高斯（GS）单位，1T=104GS。另一方面，发作磁通的磁力称为磁场强度，用符号H表示，单位是A/M H=0.4∏NI/LI

式中：N——绕组匝数

I——电流强度

LI——磁路长度

磁性资料的磁滞回线表示磁性资料被完整磁化和完整去磁化这一进程的磁特性变化。图7为一典型的磁化曲线。

由坐标0点到A点这段曲线称起始磁化曲线。

曲线中的一些关键点是十分主要的，BS：饱和磁通密度，BR：剩磁，HC：矫顽磁力。

当BR越接近于BS值时，磁滞曲线的外形越接近于矩形，同时矫顽磁力HC越大时，磁滞曲线越宽，这标明这种磁性资料的磁化特性越硬，标明这种资料为硬磁性资料。当BR和BS相差越大，矫顽磁力HC越小时，即磁滞曲线越瘦，标明这种资料为软磁性资料，脉冲变压器的磁心资料应选用软磁性材）。

不带气隙的磁滞回线

硬/软磁性资料和磁滞回线

（A）硬磁资料(B)软磁资料

假设在磁心中开一个气隙，将树立起一个有气隙的磁路，它会改动磁路的无效长度。由于气氛隙的磁导率为1，所以无效磁路长度LE为

LE=LI＋ΜILG

式中：LI——磁性资料中的磁路长度

LG——气氛隙的磁路长度

ΜI——磁性资料的磁导率

对一个给定安匝数，有气氛隙磁心的磁通密度要比没有气氛隙的磁通密度小。

2.2设想变压器的根本公式

为了确保变压器在磁化曲线的线性区任务，可用下式计算{zd0}磁通密度（单位：T）

BM=(UP×104)/KFNPSC

式中：UP——变压器一次绕组上所加电压（V）

F——脉冲变压器任务频次（HZ)

NP——变压器一次绕组匝数（匝）

SC——磁心无效截面积（CM2）

K——系数，对正弦波为4.44,对矩形波为4.0

一般状况下，开关变压器的BM值应选在比饱和磁通密度BS低一些。

变压器输出功率可由下式计算（单位：W）

PO=1.16BMFJSCSO×10－5

式中：J——导线电流密度（A/MM2）

SC——磁心的无效截面积（CM2)

SO——磁心的窗口面积（CM2）

3对功率变压器的请求

（1）漏感要小

是双极性电路（半桥、全桥及推挽等）典型的电压、电流波形，变压器漏感储能惹起的电压尖峰是功率开关管保护的缘由之一。

双极性功率变换器波形

功率开关管关断时电压尖峰的大小和集电极电路配置、电路关断条件以及漏感大小等要素相关，仅就变压器而言，减小漏感是十分主要的。

（2）防止瞬态饱和

一般工频变压器的任务磁通密度设想在B－H曲线接近拐点处，因此在通电霎时由于变压器磁心的严峻饱和而发作极大的浪涌电流。它衰减得很快，继续工夫一般只要几个周期。关于脉冲变压器而言假设任务磁通密度挑选较大，在通电霎时就会发作磁饱和。由于脉冲变压器和功率开关管间接相连并加有较高的电压，脉冲变压器的饱和，即便是很短的几个周期，也会招致功率开关管的保护，这是不答应的。所以一般在掌握电路中都有软发动电路来处置这个题目。

（3）要思索温度影响

开关的任务频次较高，请求磁心资料在任务频次下的功率消耗应尽能够小，随着任务温度的降低，饱和磁通密度的降低应尽量小。在设想和选用磁心资料时，除了关怀其饱和磁通密度、消耗等惯例参数外，还要特地留意它的温度特性。一般应按实践的任务温度来挑选磁通密度的大小，一般铁氧体磁心的BM值易受温度影响，按开关任务环境温度为40℃思索，磁心温度可达60～80℃，一般挑选BM=0.2～0.4T，即2000～4000GS。

（4）公道停止构造设想

从构造上看，有下列几个要素该当索取思索：

漏磁要小，减小绕组的漏感；

便于绕制，引出线及变压器装置要便当，以利于消费和保护；

便于散热。

4磁心资料的挑选

软磁铁氧体，由于具有价钱低、顺应功能和高频功能好等特性，而被普遍运用于开关中。

软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列，锰锌铁氧体的组成局部是FE2O3，MNCO3，ZNO，它主要运用在1MHZ以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用处普遍。而镍锌铁氧体的组成局部是FE2O3，NIO，ZNO等，主要用于1MHZ以上的各种调感绕组、抗搅扰磁珠、共用天线婚配器等。

在开关中运用最为普遍的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用处不同，资料挑选也不相同。用于输出滤波器局部的磁心多为高导磁率磁心，其资料牌号多为R4K～R10K，即{jd1}磁导率为4000～10000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性资料，其BS为0.5T（即5000GS）左右。

开关用铁氧体磁性材应满意以下请求：

（1）具有较高的饱和磁通密度BS和较低的盈余磁通密度BR

磁通密度BS的上下，关于变压器和绕制结果有必定影响。从实际上讲，BS高，变压器的绕组匝数能够减小，铜损也随之减小。

在实践运用中，开关高频变换器的电路方式很多，关于变压器而言，其任务方式可分为两大类：

1）双极性。电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小相等，方向相同，因此关于变压器磁心里的磁通变化，也是对称的上下挪动，B的{zd0}变化范畴为△B=2BM，磁心中的直流重量根本抵消。

2）单极性。电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个周期内加上1个单向的方波脉冲电压（单端反激式如此）。变压器磁心单向励磁，磁通密度在{zd0}值BM到盈余磁通密度BR之间变化，见图7，这时的△B=BM－BR，若减小BR，增大饱和磁通密度BS，能够进步△B，降低匝数，减小铜耗。

（2）在高频下具有较低的功率消耗

铁氧体的功率消耗，不只影响输出效率，同时会招致磁心发热，波形畸变等不良结果。

变压器的发热题目，在实践运用中极为普遍，它主要是由变压器的铜损和磁心消耗惹起的。假设在设想变压器时，BM挑选过低，绕组匝数过多，就会招致绕组发热，并同时向磁心传输热量，使磁心发热。反之，若磁心发热为主体，也会招致绕组发热。

挑选铁氧体资料时，请求功率消耗随温度的变化呈负温度系数联系。这是由于，假设磁心消耗为发热主体，使变压器温度下降，而温度下降又招致磁心消耗进一步增大，从而构成恶性循环，{zj2}将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国际内在研制功率铁氧体时，必需处置磁性资料自身功率消耗负温度系数题目，这也是用磁性资料的一个明显特性，日本TDK公司的PC40及国产的R2KB等资料均能满意这一请求。

（3）适中的磁导率

{jd1}磁导率终究选取几适宜呢？这要依据实践线路的开关频次来决议，一般{jd1}磁导率为2000的资料，其适用频次在300KHZ以下，有时也能够高些，但{zg}不能高于500KHZ。关于高于这一频段的资料，应挑选磁导率偏低一点的磁性资料，一般为1300左右。

（4）较高的居里温度

居里温度是表示磁性资料得到磁特性的温度，一般资料的居里温度在200℃以上，但是变压器的实践任务温度不应高于80℃，这是由于在100℃以上时，其饱和磁通密度BS已跌至常温时的70％。因此过高的任务温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严峻。再者，当高于100℃时，其功耗曾经呈正温度系数，会招致恶性循环。关于R2KB2资料，其答应功耗对应的温度曾经到达110℃，居里温度高达240℃，满意低温运用请求。

5开关功率变压器的设想办法

5.1双极性开关变压器的计算

设想前应肯定下列根本条件：电路方式,开关任务频次,变压器输出电压幅值,开关功率管{zd0}导通工夫,变压器输出电压电流,输出侧整流电路方式，对漏感及散布电容的请求，任务环境条件等。

（1）肯定磁心尺寸

1）求变压器计算功率PT

PT的大小取决于变压器输出功率及输出侧整流电路方式：

全桥电路，桥式整流：PT=(1＋1/N)PO 半桥电路，双半波整流：PT=(1/N＋)PO 推挽电路，双半波整流：PT=(/N＋)PO式中：PO=UOIO，直流输出功率。PT可在（2～2.8）PO范畴内变化，PO及PT均以瓦（W）为单位。N=N1/N2,变压匝数比。

2）肯定磁通密度BM

BM与磁心的资料、构造方式及任务频次等要素相关，又要思索温升及磁心不饱和等请求。关于铁氧体磁心多采用0.3T（特斯拉）左右。

3）计算磁心面积乘积SP

SP即是磁心截面积SC（CM2）及窗口截面积SO（CM2）的乘积，即

SP=SCSO=[(PT×104)/4BMFKWKJ]1.16(CM4)

式中：KW——窗口占空系数，与导线粗细、绕制工艺及漏感和散布电容的请求等相关。一般高压变压器取KW=0.2～0.4。

KJ——电流密度系数，与死心方式、温升请求等相关。关于常用的E型磁心，当温升请求为25℃时，KJ=366；请求50℃时，KJ=534。环型磁心，当温升请求为25℃时，KJ=250;请求50℃时，KJ=365。

由SP值挑选适用于或接近于SP的磁性资料、构造方式和磁心规格。

（2）计算绕组匝数

1）一次绕组匝数：N1=(UP1TON×10－2)/2BMSC(匝)

式中：UP1——一次绕组输出电压幅值（V）

TON——一次绕组输出电压脉冲宽度（ΜS）

2）二次绕组匝数：N2=(UP2N1）/UP1（匝） ……NI=(UPIN1）/UP1(匝)

式中：UP2…UPI——二次绕组输出电压幅值（V）

（3）挑选绕组导线

导线截面积SMI=II/J(MM2)

式中：II——各绕组电流无效值（A）

J——电流密度

J=KJSP－0.14×10－2(A/MM2)

（4）消耗计算

1）绕组铜损PMI=II2RAI(W)

式中：RAI——各绕组交换电阻（Ω），RA=KRRD，RD——导线直流电阻，KR——趋表系数,KR=(D/2)2/(D－△)·△,D——圆导线，直径（MM），△——穿透深度（MM），圆铜导线△=66.1/F0.5（F：电流频次，HZ）

变压器为多绕组时，总铜损为

PM=II2RAI(W)

2）磁心消耗PC=PCOGC

式中：PCO——在任务频次及任务磁通密度状况下单位质量的磁心消耗（W/KG）

GC——磁心质量（KG）

3）变压器总消耗PZ=PM＋PC（W）

（5）温升计算

变压器由于消耗改动成热量，使变压器温度下降，其温升数值与变压器外表积ST相关ST=

式中：SP——磁心面积乘积（CM4）

KS——外表积系数，E型磁心KS=41.3，环型磁心KS=50.9

5.2单极性开关变压器的计算

设想前应肯定下列根本条件：电路方式，任务频次，变换器输出{zg}和{zd1}电压，输出电压电流，开关管{zd0}导通工夫，对漏感及散布电容的请求，任务环境条件等。

（1）单端反激式计算

1）变压器输出输出电压

一次绕组输出电压幅值UP1=UI－△U1

式中：UI——变换器输出直流电压（V）

△U1——开关管及线路压降（V）

二次绕组输出电压幅值UP2=U02＋△U2……UPI=U0I＋△UI

式中：U02…U0I——直流输出电压（V）

△U2…△UI——整流管及线路压降（V）

2）一次绕组电感临界值(H)

式中：N——变压器匝数比N=TONUP1/TOFFUP2

TON——额外输出电压时开关管导通工夫（ΜS）

TOFF——开关管截止工夫（ΜS）

T——开关任务周期（ΜS），T=1/F，F：任务频次（HZ）

PO——变压器输出直流功率（W）

一般请求一次绕组实践电感LP1≥LMIN

3)肯定任务磁通密度

单端反激式变压器任务在单向脉冲形态，一般取饱和磁通密度值（BS）的一半，即脉冲磁通密度增量△BM=BS/2(T)

4）计算磁心面积乘积

SP=392LP1IP1D12/△BM(CM4)

式中：IP1——一次绕组峰值电流IP1=2PO/UP1MINDMAX(A)

式中：UP1MIN——变压器输出{zd1}电压幅值（V）

DMAX——{zd0}占空比，DMAX=TONMAX/TD1——一次绕组导线直径（MM），由一次绕组电流无效值I1肯定，单向脉冲时I1=IP1（TON/T）0.5

5）气氛隙长度

LG=0.4∏LP1IP12/△BM2SC(CM)

6）绕组匝数计算

一次绕组，有气隙时N1=△BMLG×104/0.4∏IP1(匝)无气隙时(匝)

式中：LC——磁心磁路长度（CM）

ΜE——磁心无效磁导率，由任务的磁通密度和直流磁场强度及磁性资料决议，查阅磁心规格得出。

二次绕组N2=[UP2(1－DMAX)/UP1MINDMAX]N1……

NI=[UPI(1－DMAX)/UPIMINDMAX]N1

（2）单端正激式计算

单端正激式电路任务的特性是一、二次绕组同时任务，另加去磁绕组，因此计算办法与双极性电路相似。

1）二次绕组峰值电流即是直流输出电流，即IP2=I02

2）二次绕组电压幅值

开关功率变压器的设想办法

UP2=(UO2＋△U2)/D(V)

式中：UO2——输出直流电压（V）

△U2——整流管及线路压降（V）

D——额外任务形态时的占空比D=TON/T

3）变压器输出功率

P2=(DUP2IP2)(W)

式中：UP2——变压器输出电压幅值（V）

IP2——二次绕组峰值电流（A）

4）肯定磁心体积

VE=(12.5ΒP2×103)/F(CM3)

式中：Β——计算系数，任务频次F=30～50KHZ时，Β=0.3 由VE值挑选接近尺寸的磁心。

5）一次绕组匝数

N1=(UP1TON×10－2)/F(匝)

式中：UP1——变压器输出额外电压幅值（V）

6）二次绕组匝数N2=(UP2/UP1)N1……NI=UPIN1/UP1

7）去磁绕组匝数NH=N1

8）绕组电流无效值二次侧：I2=IP2

一次侧：I1=UP2I2/UP1

去磁：IH=(5～10)％I1

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