解析开关电源对开关变压器的要求及技术特性
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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％。 |
