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本文介绍了高频铁氧体变压器的结构，变压器铁氧体磁芯、漆包线、支撑骨架以及其它一些辅助材料的选择与设计；分析了如何消除和降低变压器的电容效应及泄漏电感问题；最后提出变压器制造厂商用QS9000质量体系对生产工艺进行控制管理，以确保设计生产出性能最佳的高频铁氧体变压器。 关键词：高频；变压器；铁氧体磁芯；漆包线；结构 0 引言 随着电子产品的日新月异，高频铁氧体变压器在线路板上的运用也越来越广泛，因此如何设计出性能最佳的高频铁氧体变压器成了电子元器件供货商必须考虑的重要问题之一。要做到这一点，笔者认为应该从下面几个方面进行考虑并设计高频铁氧体变压器。 1高频铁氧体变压器 变压器是以电磁感应原理工作的，在线圈原边绕组加交变电压，产生交变磁通，在副边绕组感应输出电压，从而起到传输能量，变换电压（或信号），电气绝缘隔离的作用。所谓高频铁氧体变压器就是工作频率高的变压器，其工作频率高于20kHz。高频铁氧体变压器由一个公共铁氧体磁芯和绕在其上的一个或者多个线圈组成，其能量转换发生在介于磁通量和磁场之间的磁芯中，能量交换由下式表示 能量= 能量既可以用磁芯中磁通密度变化和场强来表达，也可以可用线圈中的电流、电压和时间变化来表达。 图1 图1是变压器的结构剖面图，图2和图3分别是电源变压器和逆变器用的变压器的实物。变压器主要材料是铁氧体磁芯、漆包线、支撑骨架、绝缘胶带和保护铜膜等。当然还有其它的辅助材料，如焊锡、溶剂、接着剂、热缩套管等。 2变压器主要材料选择和设计 2.1铁氧体磁芯的选择和设计 铁氧体磁芯具有以下主要特性：透磁率、磁滞回线、磁损耗、温度特性、透磁率的下降现象、电感系数、绕线系数、电阻率。针对高频变压器铁芯的选择有以下几个规则：（1）高的磁饱和密度或高的初始透磁率。这样变压器磁芯在规定频率下允许有一个大的磁通偏移，其结果可减少匝数，这也有利于铁氧体的高频应用，因为截止频率正比于饱和磁化。（2）在工作频率范围内磁芯损耗越低越好。在相同的温升条件下，磁芯的损耗越低将允许有高的功率从铁芯通过。根据笔者的经验，锰—锌系列的铁氧体由于其阻抗很高使其在高频情况下具有涡流损耗非常低的功能，因此该系列铁氧体无疑是设计高频变压器的最佳选择材料之一。（3）居里温度也是设计高频变压器必须考虑的因素之一，因为居里温度是指磁芯从铁磁性质向顺磁性质转换的临界温度，因此在成本允许的情况下，居里温度越高越好。（4）铁氧体铁芯的形状在市场上随着电子产品的多样化已经出现多种形状，在这里主要介绍两种基本的形状EE形和EI形，分别如图4和图5所示，设计者可以根据自身的设计要求委托铁芯供货商提供适合自己的铁芯。 图2 图3 图4 图5 2.2漆包线选择 漆包线种类很多，现在列出10种经常使用的漆包线：（1）聚酯亚胺漆包线，该漆包线具有耐热冲击性良好, 耐热可达180℃，耐化学药品性佳,耐冷煤R-12及HFC-134A等特点；（2）聚酯亚胺漆包线（具有直焊性），该漆包线可以直接焊接(不必脱漆) 耐化学药品性佳,耐磨性佳等特点，其耐热可达180℃。（3）聚酯亚胺被覆聚亚胺酰胺漆包线，其具有耐热性稳定耐磨及耐化学药品,耐冷媒R-12,R-22及HFC-134A，耐热可达200℃。（4）聚胺基甲酸乙酯漆包线，可直焊及加工性良好,电性能佳,可自由配色，耐热温度130℃。（5）聚胺基甲酸酯漆包线，该漆包线可直焊，耐湿性及耐高温老化性佳，可自由配色，耐热温度155℃。（6）胺基甲酸酯被覆尼龙漆包线，具有可直焊,耐磨性佳,可绕性佳的特点，耐热温130℃。（7）聚酯瓷漆包线，柔软性佳,耐磨及耐药品性佳,电性能优等特点，耐热可达到155℃。（8）聚酯瓷被覆尼龙漆包线，该漆包线耐磨性佳,可绕性佳,耐冷媒R-12,加工性良好，耐热温度为155℃。（9）聚酯瓷被覆聚亚胺酰胺漆包线，具有耐高温,耐软化,耐磨性佳,耐冷媒HFC-134A，耐热温度为200℃。（10）聚亚胺酰胺漆包线，耐高温,耐磨性特佳，耐化学药品，耐冷媒R-12，R-22，HFC-134A，耐热温度为220℃。漆包线的种类很多，在设计高频变压器时主要考虑漆包线的集肤效应和临近效应，此时一般采用多股绞线。绝缘材料一般选用耐热等级高的材料，这样可以提高允许温升和缩小线圈体积，而至于柔软性等方面则要根据工艺生产流程的需要来选择。 包,提供对铁氧体磁芯的隔离作用；（2）通过注塑在骨架上PIN脚同机板电路连接用。支撑骨架的材料有电木和塑料两种。根据这些特点，可以根据自己的要求叫支撑骨架供应上提供适合自己的产品，例如现在产品小型化的趋势越来越明显，既可以设计立式（直插式）的变压器支撑骨架，也可以设计卧式（贴片式）的变压器支撑骨架。而至于材料方面可以根据实际需要进行选择。 2.4其它材料选择 绝缘胶带的选择要考虑绝缘强度、耐热、抗穿刺、抗极大温差以及其含碳量等方面；而保护铜膜的主要作用是a. 屏蔽作用，以抵消线材自感之磁场对变压器之影响；b. 接地及静电泄放，所以大家也要选择合适的保护铜膜。而至于其它的一些辅助材料要根据环保要求及生产工艺的要求来选择。 3设计中如何优化高频铁氧体变压器的性能 3.1减少初次级间的耦合电容及线圈电容 如图7所示，在变压器的初级线圈和次级线圈之间存在耦合电容，由于该电容的存在，电源中的杂信号或者一次侧引入的其它杂信号，将通过该电容加到负载上，使得在负载上无法得到理想的电压值。为此可以通过以下几种手段来减少这个定容值：a、增加一次侧到二次侧间的绝缘厚度；b、减少绕线宽度和增加绕线层数；c、两线圈之间,避免大的电位差；d、在一次侧与二次侧之间加法拉第隔离。除了一次侧和二次侧之间的耦合电容之外，还存在着线圈电容。影响该电容主要是：a、线间及层间所放置的位置；b、杂散电容的存在及线圈对铁芯间距离的影响，只要充分考虑这些因素就可以把线圈电容的影响降低到最小。 3.2 减少线圈中的泄漏电感 所谓的泄漏电感是指在一次侧线圈和二次测线圈之间存在不相交的磁力线，这样就会产生一定的能量存在各自的线圈中，常以泄漏电感的形式来评估。泄漏电感的存在会产生下列影响：a、造成大的反向电压,提高对交换式晶体管的耐压要求；b、使得电源供应器能量损失,效率及稳压器性能下降.因此我们必须减少线圈中的泄漏电感，主要有下列手段：a、增加绕线铜窗宽度；b、线圈间的绝缘距离薄化；c、采用夹插方式配置绕组。 图7 4 生产制造中如何确保高频铁氧体变压器的性能 在变压器中，铁氧体磁芯和漆包线是两种最主要的材料 a、首先要确保磁芯各项性能指针达到变压器的设计要求，其透磁率、磁损耗、温度特性、透磁率的下降现象、电感系数、绕线系数、电阻率等特性都要达到设计要求；b、绝缘不满足要求、线材氧化、线伤等都将导致耐电压不良，所以都要确保线材满足质量要求；c、支撑骨架肉厚不足，将导致层间耐压不良，支撑骨架中水分含量太多将导致在焊接中溅锡，导致绝缘胶带等被烧伤，导致耐压不良；d、绝缘胶带中含碳量过高及脱胶等都将导致耐压不良。 在变压器制造过程中应该严格根据QS9000制量体系进行管理，对出现的不良用FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）进行分析，并采取相应的预防措施，才可以将制造生产中出现的不良降低到最低，生产出性能最佳的高频铁氧体变压器。 用FMEA分析制造产生不良的过程 （a）建立由制造、工程等负责人组成的跨功能小组；（b）建立FMEA分析表格，建议使用如下的表格（图8）；（c）对变压器的生产工艺进行细化，可细化为：材料入货检查→卷线→剪线端→焊锡→组立→捺印 (干燥)→喊铜板→点胶固定(干燥)→含 浸(干燥)→外观检查→测定→入库包装；（d）确定产生不良的潜在失效模式；（e）评价潜在失效模式所产生的失效后果；（f）风险顺序数（RPN）：风险顺序数（RPN）是严重度（S）,频度（F）和探测度（D）的乘积，对其各项进行评价，算出RPN值，即（S）×（F）×（D）＝RPN；（g）对RPN值高的项进行改善，使RPN值降低到接受的范围；（h）改善后重新评价RPN值，然后在对新出现的RPN值高的项进行改善，持续循环进行直到生产出性能最佳的高频铁氧体变压器。 图8 5 结束语 高性能高频铁氧体变压器的理论设计和生产制造两方面要结合起来综合考量，才能设计和制造出高性能高频铁氧体变压器。当设计出的变压器性能无法满足客户要求时，可以根据QS9000质量管理体系中分析问题的方法对变压器的失效模式进行分析 并采取措施，从而达到对高频铁氧体变压器的性能进行优化，最终设计制造出顾客满意的高性能的高频铁氧体变压器。 |
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