高频电源变压器设计原则要求和程序

3.3提高效率
　　提高效率是对电源和电子设备的普遍要求。虽然从单个高频电源变压器来看，损耗不大。例如，100VA高频电源变压器，效率为98％时，损耗只有2W，并不多。但是成十万个，成百万个高频电源变压器，总损耗可能达到上100kW，甚至上MW。还有，许多高频电源变压器一直长期运行，年总损耗相当可观，有可能达到上10GW·h。这样，提高高频电源变压器效率，可以节约电力。节约电力后，可以少建发电站。少建发电站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放CO2，SO2，NOx，废气，废水，烟尘和灰渣，减少对环境的污染。既具有节约能源，又具有环境保护的双重社会经济效益。因此，提高效率是高频电源变压器一个主要的设计要求，一般效率要提高到95％以上，损耗要减少到5％以下。高频电源变压器损耗包括磁芯损耗（铁损）和绕组损耗（铜损）。有人关心变压器的铁损和铜损的比例。这个比例是随变压器的工作频率发生变化的。如果变压器的外加电压不变，工作频率越低，绕组匝数越多，铜损越大。因此在50Hz工频下，铜损远远超过铁损。例如：50Hz，100kVAS9型三相油浸式硅钢电力变压器，铜损为铁损的5倍左右。50Hz，100kVASH11型三相油浸式非晶合金电力变压器，铜损为铁损的20倍左右。并不存在“辨析”一文中所说那样，工频变压器从热稳定热均匀角度出发，把铜损等于铁损作为经验设计规则。随着工作频率升高，绕组匝数减少，虽然由于趋表效应和邻近效应存在而使绕组损耗增加，但是总的趋势是铜损随着工作频率升高而下降。而铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，随着工作频率升高而迅速增大。在某一段工作频率，有可能出现铜损和铁损相等的情况，超过这一段工作频率，铁损就大于铜损。造成铁损不等于铜损的原因，也并不象“辨析”一文中所说那样是由于“高频变压器采用非常细的漆包线作为绕组”。导线粗细的选择，虽然受趋表效应影响，但主要由高频电源变压器的传送功率来决定，与工作频率不存在直接关系。而且，选用非常细的漆包线作为绕组，反而会增加铜损，延缓铜损的下降趋势。说不定在设计选定的工作频率下，还有可能出现铜损等于铁损的情况。根据有的资料介绍，中小功率高频电源变压器的工作频率在100kHz左右，铁损已经大于铜损，而成为高频电源变压器损耗的主要部分。
　　正因为铁损是高频电源变压器损耗的主要部分，因此根据铁损选择磁芯材料是高频电源变压器设计的一个主要内容。铁损也成为评价软磁芯材料的一个主要参数。铁损与磁芯的工作磁通密度工作频率有关，在介绍软磁磁芯材料铁损时，必须说明在什么工作磁通密度下和在什么工作频率下损耗。用符号表示时，也必须标明PB/f〔式中工作磁通密度B的单位是T（特斯拉），工作频率f的单位是Hz（赫芝）〕。例如，P0.5/400表示工作磁通密度为0.5T，工作频率为400Hz时的损耗。又例如，P0.1/100k表示工作磁通密度为0.1T，工作频率为100kHz时的损耗。铁损还与工作温度有关，在介绍软磁磁芯材料铁损时，必须指明它的工作温度，特别是软磁铁氧体材料，对温度变化比较敏感，在产品说明书中都要列出25℃至100℃的铁损。
　　软磁材料的饱和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限，常常是铁损限制了工作磁通密度的上限。所以，在新的电源变压器用软磁铁氧体材料分类标准中，把允许的工作磁通密度和工作频率乘积B×f，作为材料的性能因子，并说明在性能因子条件下允许的损耗值。新的分类标准根据性能因子把软磁铁氧体材料分为PW1，PW2，PW3，PW4，PW5等5类，性能因子越高的，工作频率越高，极限频率也越高。例如，PW3类软磁铁氧体材料，工作频率为100kHz，极限频率为300kHz，性能因子B×f为10000mT×kHz，即在100mT（0.1T）和100kHz下，100℃时损耗a级≤300kW/m（300mW/cm3），b级≤150kW/m3（150mW/cm3）。***TDK公司生产的PC44型软磁铁氧体材料达到PW3a级标准，达不到PW3b级标准。
　　“设计要点”一文中提出高频变压器使用的铁氧体磁芯在100kHz时的损耗应低于50mW/cm3，没指明是选哪一类软磁铁氧体材料，也没说明损耗对应的工作磁通密度。读者只好去猜：损耗对应的工作磁通密度是《电源技术应用》2003年6期“设计要点”一文中的BAC典型值0.04～0.075T？还是《电源技术应用》2003年1/2期“设计要点”一文中的Bm值0.237T？不管是0.075T，还是0.237T？要达到100kHz下铁损低于50mW/cm3的铁氧体材料是非常先进的。请介绍一下是哪家公司哪种型号产品，以便读者也去购买。
　　在某一段工作频率下，高频电源变压器的绕组损耗（铜损）与铁损相接近时，例如，铜损/铁损=100％～25％范围内，铜损也不能忽视，也应当考虑采取措施来减少铜损。由于原绕组和副绕组承担的功率相近，往往在设计中取原绕组的铜损等于副绕组的铜损，以便简化设计计算过程，这并不象“辨析”一文中所说的那样：“只是工频变压器设计的一种经验规则，”对一定工作频率下高频电源变压器设计也适用。不能只强调依靠温升来设计高频电源变压器，由于热阻不容易准确确定，设计计算相当麻烦。因此，为了简化计算，有时根据经验预先推荐一些原则和数据是必要的。同样，为了简化计算，对不同工作频率，不同功率的高频电源变压器推荐不同的绕组电流密度，也是必要的，但不限于某一个电流密度值，例如，2A/mm2～3A/mm2。应当看到：实现高频电源变压器设计要求的方法并不限于一种，应当允许进行多种多样的探索。“你走你的阳关道，我走我的独木桥”。为什么一定要按你指定的道路走，才不是“错误概念”呢？