浅谈高频大功率变压器设计
Dicuss of High frequency big PowerTransformer Design
聂应发
田村（中国）企业管理有限公司（惠州分室）
摘 要：高频逆变式的大功率电子变压器主要作用是电压变换、功率传递和输入输出之间的隔离。其功能与普通弧焊变
压器相仿，因其传递的是矩形交替脉冲，故可称为“脉冲功率变压器”。因此本文拟对以上具体深入地探讨，对于从事高频大功率变压器设计者及相关技术行业，有一定的参考价值。
中图分类号：TM4 文献标识码：B 文章编号：1606-7517(2013)09-3-111
1 主要特性
表１ 三种磁性材料性能比较
1.1 高频逆变式弧焊变压器主要特性
饱和磁通密度
初始磁导率
电阻率居里温度高频大功率变压器具有效率高、节能、体积小、重量B ｓ（Ｔ）B ｓ（Ｔ）材料
（Ｈ／ｍ）（２５℃）（１００℃）
（μΩ＊ｃｍ）（℃）
轻等优点，已经成为一种新型的高频变压器。其高频变压
铁氧体器论坛m ０．４
０．２６
０．３
１０６～１０１３
１００～１８０器（对高频变压器而言，主要是因工作频率在２０ｋＨｚ变及其压非晶
１．５
t . c o １．３５１．１１３０４１５以上的频率即可称为高频）主要作用是电压变换、功率传
电子纳米晶
g -１．２５
b i １．２０
１．０
１２５
６５０
递和输入输出之间的隔离。因其传递的是矩形交替脉冲。故可称为“脉冲功率变压器”。但是由于高频变压器工作在应考虑漏磁尽可能小，便于绕制、安装以及有利通风散热高频，高压、脉动传输状态，而且又与较为脆弱的高压开
等几个原则。目前，用于逆变式高频变压器磁芯结构铁氧关器件相连，因此，其性能的优劣不仅关系到变压器本身大比特b b s . b i 体主要为环形，ＥＥ型，非晶、纳米晶态合金多为ＣＤ型。
的效率、发热，而且会左右整个逆变器的技术性能。
h
t t p ://１．４ 磁芯规格的选取通常可先估算效率，求得高频变压
1.2 磁芯的选择
器的输入功率，然后按制选厂家给出的磁芯规格和功率的高频电源高频变压器的频率特点决定了其磁芯材料一关系数据，查出所需的磁芯，进行计算所得。也可通过原般选用铁氧体或非晶、微晶合金高导磁的磁芯。铁氧体饱边匝数N １和磁芯有效截面的乘积N １S ｃ可从绕组计算公式
和磁通密度不高（约４０００Ｇｓ），温度特性较差，居里点较低，得到。
机械性能不好。易损而碎。但其电阻率很高，高频铁损极小，而且相对价格比较便宜，目前高频化逆变电源中高频变压１．５ 虽然高频变压器与普通变压器一样，若工作磁通密器大多采用铁氧体。但是由于非晶、纳米晶合金具有饱和度选择不当，则会产生合闸瞬间饱和。由于高频变压器与磁通密度B 高压开关器件直接连接，高频高压的工作条件，即使只有ｓ高、温度特性好，居里点高等优点（但电阻率低于铁氧体的电阻率）。是高频化逆变式变压器较为理想的几个周期的瞬间饱和，也会导致高压开关器件的损坏。为此，磁芯材料，国内已有单位将非晶材料用于逆变电源。表１设计中一般选择
。既可避免合闸时瞬间磁饱和现象，
为铁氧体、非晶态和纳米晶合金主要的电磁性能。
同时又可减小励磁电流，降低磁芯损耗，提高变压器效率，降低变压器温升。
1.3 磁芯规格及磁通密度B 的选取
但是科学技术不断发展，以下铁粉磁已应用于各个领我们知道：逆变电源高频变压器磁芯材料结构的选择，
域高频电抗器。其主要特性如下：
2013.09·磁性元件与电源
制品名 ＦＨＤ ＳＳＤ ＳＦＤ ＴＳＤ
素材 纯铁Ｆｅ 硅素钢Ｆｅ－３．０％Ｓｉ 硅素钢Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ
用途 空调ＵＰＳ／车载空调ＵＰＳ／车载 空调空调
周波数带 重叠
损失 特性
△ ○ ◎ ◎
ｂ、确定工作频率，工作最大磁感应强度B ｍ。ｃ、计算并初选磁芯型号。ｄ、计算并调整原、副边匝数。
ｅ、计算并确定导线线径。确定匝数后，根据电流有效
～２０ｋＨｚ ◎◎ △ ～４０ｋＨｚ ◎ ～４０ｋＨｚ ○ ～１００ｋＨｚ △
○ ○ ◎
值选取导线线径，电流较大时，仍需采用多股并绕，但由于电感电流中交流成份比较小，集肤效应不明显，必要时可选用较粗的导线绕制。
ｆ、校核窗口面积和最大磁感应强度B ｍ。
ｈ、电感设计完成后，可在实验中进一步调整气隙，以达到最佳的电感量和工作磁通。
Ｆｅ－６．５％Ｓｉ （低噪音规格）
3 例：高频变压器的设计：
选高频变压器材料为铁基非晶态合金，设计主要技术参数如下：
坛m 论c o 器t . 压b i 变g -子b i 电s . 特b b 比//大p :t t h
V ２＝５０Ｖ ；次级电压：
f ＝２０ｋＨｚ ；逆变频率：
次级额定电流： I ２＝２３０Ａ；额定负载持续率：７０％；P ＝７５００Ｗ；额定输出功率：
η＝９０％以上；变压器效率：功率因数：ｃｏｓΦ＝０．９。绕组匝数计算：
用导通脉冲宽度公式来设计计算：即
V １＝V ｍａｘ＝３１０Ｖ ；原边绕组电压幅值：
逆变式电源的高频变压器为方波转换高频变压器，可
V １为施加在绕组上的电压幅式中，N １为绕组原边匝数（Ｔ）；
S ｃ为值，即整流滤波后的电压值，B 为工作磁通密度（Ｇ）；t ｏｎ为半周期内导通脉冲宽度（μｓ）。磁芯有效截面积（ｃｍ２）；
取工作磁通密度B ＝３１００ＧＳ 则：
（Ｔ・ｃｍ２）
选取ＣＤ型磁芯规格为ＡＣ—５（Ｓ），有效截面积S ｃ＝６．４ｃｍ２，饱和磁通密度B ｃ＝１．３５Ｔ，故
2 变压器计算
。
由N １S ｃ值可算出原边绕组匝数
N
１为
：
一般来说高频变压器的设计可划分为以下六个步骤：ａ、选择磁芯材料和磁芯结构形式。
磁性元件与电源·2013.09
取整数N １＝１８Ｔ。副边绕组匝数 取整数N ２
＝３Ｔ。原边绕组重新修正为：
f ／ｋＨｚΔ／ｍｍ
表２ 高频电流穿透铜导线的深度
１５０．５３９６
１８０．４９２６
２００．４６７３
２３０．４３５８
２５０．４１８０
３００．３８５１
由表２知频率为２０ｋＨｚ时电流最大穿透深度Δ＝０．４９２６ｍｍ，故允许最大线径d ｍａｘ＝０．９３４ｍｍ。其有效截
仍取N １＝１８，则V ２略低于设计电压，V ２＝５１．６Ｖ，对电源无不利影响。
绕组导线线径的计算：
由于电流的集肤效应，相当于导线有效截面积减少。因此在导线选择上应循原副边绕组导线线径小于两倍穿透深度。当导线要求截面大于穿透深度决定的最大有效直径时，应采用小直径的多股导线并绕，尤其是副边大电压磁
芯窗口的高度接近，厚度则以穿透深度的两倍来限制。
变压器原边绕组电流有效值为：
取直径为０．７ｍｍ×２，高强度漆包铜线，面积S ｍ＝０．６８５ｍｍ２，
则需８．７３股。取１６股
０．７高强漆包铜线并绕之。
变压器副边电流有效值为
导线截面积
（ｍｍ２）
：
取标称直径为０．７ｍｍ×２的高强漆包铜线，则需２３．２股，取２４股。
取４８股０．７高强漆包铜线并绕之。
结束语
高频大功率电子变压器是一种特殊类型变压器，有它
j 为电流密度，其可为（２￣５）Ａ／ｍｍ２这里取电流密度ｊ＝５Ａ／ｍｍ
，则：
２
坛m 论c o 器t . 压b i 变-比//大p :t t h
（ｍｍ２）
参考文献作者简介种变压器。
特有设计方法和思路，要考虑温升条件进行选取线径，以及由于高效率要求，选取磁芯材质也是关键一步，随着电源技术高频化、体积小型、功率大的特点，性能进一步提高，
它将会在电子变压器领域中有更广阔的应用前景。
[1] 王瑞华, 脉冲变压器设计, 科学出版社
[2] 电子设备冷却设计手册, 电子工业部第十四研究所[3] 电子变压器手册, 辽宁科学技术出版社
邹祖娇，１９８１年，工程师，研究方向为高压大功率特
图 ４ 输出波形及变压器实物
2013.09·磁性元件与电源
浅谈高频大功率变压器设计
Dicuss of High frequency big PowerTransformer Design
聂应发
田村（中国）企业管理有限公司（惠州分室）
摘 要：高频逆变式的大功率电子变压器主要作用是电压变换、功率传递和输入输出之间的隔离。其功能与普通弧焊变
压器相仿，因其传递的是矩形交替脉冲，故可称为“脉冲功率变压器”。因此本文拟对以上具体深入地探讨，对于从事高频大功率变压器设计者及相关技术行业，有一定的参考价值。
中图分类号：TM4 文献标识码：B 文章编号：1606-7517(2013)09-3-111
1 主要特性
表１ 三种磁性材料性能比较
1.1 高频逆变式弧焊变压器主要特性
饱和磁通密度
初始磁导率
电阻率居里温度高频大功率变压器具有效率高、节能、体积小、重量B ｓ（Ｔ）B ｓ（Ｔ）材料
（Ｈ／ｍ）（２５℃）（１００℃）
（μΩ＊ｃｍ）（℃）
轻等优点，已经成为一种新型的高频变压器。其高频变压
铁氧体器论坛m ０．４
０．２６
０．３
１０６～１０１３
１００～１８０器（对高频变压器而言，主要是因工作频率在２０ｋＨｚ变及其压非晶
１．５
t . c o １．３５１．１１３０４１５以上的频率即可称为高频）主要作用是电压变换、功率传
电子纳米晶
g -１．２５
b i １．２０
１．０
１２５
６５０
递和输入输出之间的隔离。因其传递的是矩形交替脉冲。故可称为“脉冲功率变压器”。但是由于高频变压器工作在应考虑漏磁尽可能小，便于绕制、安装以及有利通风散热高频，高压、脉动传输状态，而且又与较为脆弱的高压开
等几个原则。目前，用于逆变式高频变压器磁芯结构铁氧关器件相连，因此，其性能的优劣不仅关系到变压器本身大比特b b s . b i 体主要为环形，ＥＥ型，非晶、纳米晶态合金多为ＣＤ型。
的效率、发热，而且会左右整个逆变器的技术性能。
h
t t p ://１．４ 磁芯规格的选取通常可先估算效率，求得高频变压
1.2 磁芯的选择
器的输入功率，然后按制选厂家给出的磁芯规格和功率的高频电源高频变压器的频率特点决定了其磁芯材料一关系数据，查出所需的磁芯，进行计算所得。也可通过原般选用铁氧体或非晶、微晶合金高导磁的磁芯。铁氧体饱边匝数N １和磁芯有效截面的乘积N １S ｃ可从绕组计算公式
和磁通密度不高（约４０００Ｇｓ），温度特性较差，居里点较低，得到。
机械性能不好。易损而碎。但其电阻率很高，高频铁损极小，而且相对价格比较便宜，目前高频化逆变电源中高频变压１．５ 虽然高频变压器与普通变压器一样，若工作磁通密器大多采用铁氧体。但是由于非晶、纳米晶合金具有饱和度选择不当，则会产生合闸瞬间饱和。由于高频变压器与磁通密度B 高压开关器件直接连接，高频高压的工作条件，即使只有ｓ高、温度特性好，居里点高等优点（但电阻率低于铁氧体的电阻率）。是高频化逆变式变压器较为理想的几个周期的瞬间饱和，也会导致高压开关器件的损坏。为此，磁芯材料，国内已有单位将非晶材料用于逆变电源。表１设计中一般选择
。既可避免合闸时瞬间磁饱和现象，
为铁氧体、非晶态和纳米晶合金主要的电磁性能。
同时又可减小励磁电流，降低磁芯损耗，提高变压器效率，降低变压器温升。
1.3 磁芯规格及磁通密度B 的选取
但是科学技术不断发展，以下铁粉磁已应用于各个领我们知道：逆变电源高频变压器磁芯材料结构的选择，
域高频电抗器。其主要特性如下：
2013.09·磁性元件与电源
制品名 ＦＨＤ ＳＳＤ ＳＦＤ ＴＳＤ
素材 纯铁Ｆｅ 硅素钢Ｆｅ－３．０％Ｓｉ 硅素钢Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ
用途 空调ＵＰＳ／车载空调ＵＰＳ／车载 空调空调
周波数带 重叠
损失 特性
△ ○ ◎ ◎
ｂ、确定工作频率，工作最大磁感应强度B ｍ。ｃ、计算并初选磁芯型号。ｄ、计算并调整原、副边匝数。
ｅ、计算并确定导线线径。确定匝数后，根据电流有效
～２０ｋＨｚ ◎◎ △ ～４０ｋＨｚ ◎ ～４０ｋＨｚ ○ ～１００ｋＨｚ △
○ ○ ◎
值选取导线线径，电流较大时，仍需采用多股并绕，但由于电感电流中交流成份比较小，集肤效应不明显，必要时可选用较粗的导线绕制。
ｆ、校核窗口面积和最大磁感应强度B ｍ。
ｈ、电感设计完成后，可在实验中进一步调整气隙，以达到最佳的电感量和工作磁通。
Ｆｅ－６．５％Ｓｉ （低噪音规格）
3 例：高频变压器的设计：
选高频变压器材料为铁基非晶态合金，设计主要技术参数如下：
坛m 论c o 器t . 压b i 变g -子b i 电s . 特b b 比//大p :t t h
V ２＝５０Ｖ ；次级电压：
f ＝２０ｋＨｚ ；逆变频率：
次级额定电流： I ２＝２３０Ａ；额定负载持续率：７０％；P ＝７５００Ｗ；额定输出功率：
η＝９０％以上；变压器效率：功率因数：ｃｏｓΦ＝０．９。绕组匝数计算：
用导通脉冲宽度公式来设计计算：即
V １＝V ｍａｘ＝３１０Ｖ ；原边绕组电压幅值：
逆变式电源的高频变压器为方波转换高频变压器，可
V １为施加在绕组上的电压幅式中，N １为绕组原边匝数（Ｔ）；
S ｃ为值，即整流滤波后的电压值，B 为工作磁通密度（Ｇ）；t ｏｎ为半周期内导通脉冲宽度（μｓ）。磁芯有效截面积（ｃｍ２）；
取工作磁通密度B ＝３１００ＧＳ 则：
（Ｔ・ｃｍ２）
选取ＣＤ型磁芯规格为ＡＣ—５（Ｓ），有效截面积S ｃ＝６．４ｃｍ２，饱和磁通密度B ｃ＝１．３５Ｔ，故
2 变压器计算
。
由N １S ｃ值可算出原边绕组匝数
N
１为
：
一般来说高频变压器的设计可划分为以下六个步骤：ａ、选择磁芯材料和磁芯结构形式。
磁性元件与电源·2013.09
取整数N １＝１８Ｔ。副边绕组匝数 取整数N ２
＝３Ｔ。原边绕组重新修正为：
f ／ｋＨｚΔ／ｍｍ
表２ 高频电流穿透铜导线的深度
１５０．５３９６
１８０．４９２６
２００．４６７３
２３０．４３５８
２５０．４１８０
３００．３８５１
由表２知频率为２０ｋＨｚ时电流最大穿透深度Δ＝０．４９２６ｍｍ，故允许最大线径d ｍａｘ＝０．９３４ｍｍ。其有效截
仍取N １＝１８，则V ２略低于设计电压，V ２＝５１．６Ｖ，对电源无不利影响。
绕组导线线径的计算：
由于电流的集肤效应，相当于导线有效截面积减少。因此在导线选择上应循原副边绕组导线线径小于两倍穿透深度。当导线要求截面大于穿透深度决定的最大有效直径时，应采用小直径的多股导线并绕，尤其是副边大电压磁
芯窗口的高度接近，厚度则以穿透深度的两倍来限制。
变压器原边绕组电流有效值为：
取直径为０．７ｍｍ×２，高强度漆包铜线，面积S ｍ＝０．６８５ｍｍ２，
则需８．７３股。取１６股
０．７高强漆包铜线并绕之。
变压器副边电流有效值为
导线截面积
（ｍｍ２）
：
取标称直径为０．７ｍｍ×２的高强漆包铜线，则需２３．２股，取２４股。
取４８股０．７高强漆包铜线并绕之。
结束语
高频大功率电子变压器是一种特殊类型变压器，有它
j 为电流密度，其可为（２￣５）Ａ／ｍｍ２这里取电流密度ｊ＝５Ａ／ｍｍ
，则：
２
坛m 论c o 器t . 压b i 变-比//大p :t t h
（ｍｍ２）
参考文献作者简介种变压器。
特有设计方法和思路，要考虑温升条件进行选取线径，以及由于高效率要求，选取磁芯材质也是关键一步，随着电源技术高频化、体积小型、功率大的特点，性能进一步提高，
它将会在电子变压器领域中有更广阔的应用前景。
[1] 王瑞华, 脉冲变压器设计, 科学出版社
[2] 电子设备冷却设计手册, 电子工业部第十四研究所[3] 电子变压器手册, 辽宁科学技术出版社
邹祖娇，１９８１年，工程师，研究方向为高压大功率特
图 ４ 输出波形及变压器实物
2013.09·磁性元件与电源