高频链中高频变压器的分析与设计

摘要：高频链逆变技术用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大大减小了逆变器的体积和重量。在高频链的硬件电路设计中，高频变压器是重要的一环。叙述了高频变压器的设计过程。实验结果证明该设计满足要求。 关键词：高频链；高频变压器；逆变器 引言 MESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念[1]。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大的不同，在于利用高频变压器实现了输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重量。近年来，高频链技术引起人们越来越多的兴趣。 1 概述 图1是传统的逆变器框图。其缺点是采用了笨重庞大的工频变压器和滤波电感，导致效率低，噪音大，可靠性差。另外，谐波含量大，波形畸变严重，与要求的优质正弦波相差甚远。 图2所示为电压源高频链逆变器的框图，该方案是当今研究的最先进方案[2]，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的优点，诸如，以小型的高频变压器替代工频变压器；只有两级功率变换；正弦波质量高；控制灵活等。高频变压器是高频链的核心部件，肩负着隔离和传输功率的重任，其性能好坏直接决定逆变器的性能好坏。不合格的变压器温升高，效率低，漏感严重，输出波形畸变大，直接影响电路的稳定性和可靠性，甚至损坏开关器件，导致实验失败。 2 高频变压器的设计 设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。各种磁芯物理性能及价格比如表1所列。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比较小，常使用在开关电源中。本文采用的就是铁氧体材料。 表1 各种磁芯特性比较表 磁芯类型 非晶合金 薄硅钢片 坡莫合金 铁氧体 铁损 低 高 中 低 磁导率 高 低 高 中 饱和磁密 高 高 中 低 温度影响 中 小 小 中 加工 难 易 易 易 价格 中 低 中 低 高频变压器的设计通常采用两种方法[3]：第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP（AP=AW%26;#215;Ae，称磁芯面积乘积），根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。本文详细讨论如何用AP法设计高频变压器。 原边NP匝，副边Ns匝的变压器，在NP匝上以电压V1开关工作时，根据法拉第定律，有 V1=KffsNPBWAe （1） 式中：Kf为波形系数，即有效值和平均值之比，正 弦波为4.44，方波为4； fs为工作频率； BW为工作磁通密度。 NP=V1/(KffsBwAe) (2) 铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数Ko（一般取04）为有效面积，该面积为原边绕组NP占据的窗口面积NPAP′与副边绕组Ns占据的窗口面积NsAs′之和，即 KoAW=NPAP′＋NsAs′ （3） 式中：AP′及As′分别为原、副边绕组每匝的截面积。 每匝所占用面积与流过该匝的电流值I和电流密度J有关，如式（4）所示。 AP′=I1/J As′=I2/J (4) 将式（4）代入式（3），则得 KoAW=(V1/KffsBwAe)I1/J＋(V2/KffsBwAc)(I2/J) 即AWAe=(V1I1+V2I2)/(KoKffsBwJ) (5) 电流密度J直接影响到温升，亦影响到AWAe，其关系可用式（6）表示。 J=KJ(AWAe)X (6) 式中：KJ为电流密度系数；X为常数，由所用磁芯确定。 若变压器的视在功率PT=V1I1＋V2I2，则 AWAe=(PT)/(KoKffsBwJ(AWAe)x 即AP=(PT%26;#215;10 4)/(KoKffsBwKJ)(1/1+X) (7) 式中：AP单位为cm4，其余的单位为国际单位制。 视在功率随线路结构不同而不同。如图3所示。变压器效率为η，则在图3（a）中 PT=Po＋Pi=Po＋Po/η=Po(1+1/η) 在图3（b）中 在图3（c）中 本文采用图3（b）的结构，VDC=24V，Po=250W，设η=0.95，则 若采用E型磁芯，允许温升25℃，则有KJ=323，X=－0.14。饱和磁密约为0.35T，考虑到高温时饱和磁密会下降，同时，为了防止合闸瞬间高频变压器饱和，取饱和磁密的1/3为变压器的工作磁密，即BW=0.117T。工作频率为20kHz，由式（7） 可得 取10％的裕度，即AP=6.65%26;#215;（1＋10％）≈7.28cm4，查手册选取E17铁氧体磁芯，其AW=2.56cm2，Ae=3.80cm2，AP=9.73cm4，满足要求。 确定磁芯材料后，则其他参数计算如下： 1）原边绕组匝数NP NP=(V1)/(KffsBwAe)≈7匝； 2）原边电流IP IP=(Po)/(VDCη)≈10.96A； 3）电流密度JJ=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2； 4）原边绕组裸线面积AXP AXP=Ip/J≈0.04666cm2； 5)副边绕组匝数Ns逆变器工作时占空比D=0.75，幅值为根号2 220V，则 Ns=(NpV2)/DV1=120.99≈121匝 6）副边绕组裸线面积AXS注意中间抽头变压器Io须乘0.707的校正系数，则 AXS=(Io%26;#215;0.707)/J=(Po%26;#215;0.707)/(Vo%26;#215;J)=(250%26;#215;0.707)/(220%26;#215;234.9) =0.00342cm2。 3 实验结果 实验采用图3（b）的结构，参数如下： 输入电压DC24V； 开关频率20kHz； 占空比D=0.75； 输出电压AC220V； 输出功率250W； 输出频率50Hz； 变压器磁芯E17铁氧体磁芯； 原边绕组匝数7匝； 副边绕组匝数121匝。 该高频链工作稳定可靠，噪声很小，实验结果证明该高频变压器满足实际要求。 4 结语 1）设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。 2）在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。 3）本文采用的工作频率为20kHz，由于工作频率较高，趋肤效应影响比较大，因此，在设计时应注意趋肤效应引起的有效面积的减少。