01、前言

市面上一些普遍的開關(guān)電源頻率在幾十K到500K，像氮化鎵PD快充在中低功率場(chǎng)景（如30W-65W快充）：頻率在300kHz至1MHz，從而平衡效率與體積；中高功率場(chǎng)景（如65W-120W或更高）：開關(guān)頻率在1M~2MHz，這樣高頻特性很好的縮小電源內(nèi)部高頻變壓器的體積像現(xiàn)在300W的充電器跟手機(jī)充電器一樣小，相比之前給電腦充電的適配器130W，跟板磚一樣，攜帶不方便。

02、影響變壓器體積的因素

為什么電源開關(guān)頻率高了，變壓器體積變小呢？

相信很多初學(xué)開關(guān)電源的朋友都會(huì)查過這個(gè)問題吧

簡(jiǎn)單來說，高頻變壓器的磁芯在在更短的時(shí)間內(nèi)完成“儲(chǔ)能-釋放”的循環(huán)，所以不需要太大的變壓器就能完成這個(gè)動(dòng)作。從電磁學(xué)的原理和工程設(shè)計(jì)的角度解釋一下。

1.頻率越高，磁通量變化越快

我們知道變壓器的工作基于電磁感應(yīng)：原邊繞組通入交變電流時(shí)，會(huì)在磁芯中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，也就是磁通，副邊繞組通過切割磁場(chǎng)感應(yīng)出電壓。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，得到變壓器或電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即下面①式。

其中：V是繞組感應(yīng)電壓，N是繞組匝數(shù)，dФ/dt是磁通量的變化率（磁通量與頻率正相關(guān)）

dФ/dt=2πf*Фmax----②式

其中f是頻率，Фmax是磁通最大值。

2.高頻下，磁芯截面積Ae減小

磁通量Ф（單位韋伯，Wb）與變壓器磁芯截面積Ae相關(guān)，公式：

Фmax=Bmax*Ae----③式

其中：

*Bmax是磁芯材料最大磁通密度，由材料特性決定，如鐵氧體最大0.3T，單位特斯拉T；

*Ae是磁芯的截面積（垂直于磁通方向的面積）

結(jié)合變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：V=N*dФ/dt，可得出

V=N*Ae*dB/dt，V=N*2πf*Bmax*Ae

變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V和匝數(shù)N，磁芯截面積Ae，磁通密度B正相關(guān)。

那么我們對(duì)比一下低頻變壓器和高頻變壓器輸出同樣電壓效果。

低頻變壓器（工頻f=50Hz）：磁通變化慢，需要磁芯截面積Ae和更多的匝數(shù)N才能產(chǎn)生足夠的電壓；

高頻變壓器（如頻率為100KHz）：磁通變化率快，相同電壓下可以大幅減小N*Ae的乘積。

關(guān)鍵結(jié)論：

（1）由公式：dФ/dt=2πf*Фmax，頻率f越高，磁通變化率dФ/dt越高；

（2）由公式：V=N*2πf*B*Ae，頻率f越高，2πf增大，輸出電壓一定情況下，N*Ae可以減小。

當(dāng)保持匝數(shù)不變時(shí)，磁芯截面積Ae可以顯著減小，當(dāng)保持Ae不變時(shí)，匝數(shù)可以減小。

3.高頻下，繞組匝數(shù)減小

變壓器的體積還與繞組的尺寸(長(zhǎng)度、截面積)直接相關(guān)。繞組的數(shù) N 減少后：

繞組的總長(zhǎng)度縮短，因?yàn)槊吭丫€圈的周長(zhǎng)固定時(shí)，匝數(shù)越少，總長(zhǎng)度越短

4.高頻下，磁芯體積減小

變壓器的磁芯體積主要是有截面積Ae和磁路長(zhǎng)度Le決定，公式：

Vcore=Ae*Le

高頻下，根據(jù)公式V=N*2πf*B*Ae，Ae減??；

磁路長(zhǎng)度Le，通常與磁芯結(jié)構(gòu)相關(guān)(如E型磁芯的長(zhǎng)度約為截面積的1.5倍)，因此Le也會(huì)隨Ae減小而縮短。

兩者共同作用下，磁芯體積減小。

5.高頻低損耗磁性材料的應(yīng)用

高頻開關(guān)電源不可避免的三大損耗：變壓器損耗，MOS管損耗，二極管損耗。

對(duì)于變壓器來說，雖然高頻會(huì)增加磁芯的磁滯損耗(與頻率成正比)和繞組的渦流損耗(與頻率平方成正比)，但現(xiàn)代高頻磁性材料(如鐵氧體、納米晶合金)的低損耗特性，以及GaN(氮化鎵)等寬禁帶半導(dǎo)體器件的低開關(guān)損耗特性，已能有效控制高頻下的額外損耗。

因此，高頻帶來的體積縮小優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超過損耗增加的劣勢(shì)，尤其在高功率密度場(chǎng)景(如快充電源、服務(wù)器電源)中。

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