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高频变压器在高频链中的解析与研发



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。


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



1 概述

传统的逆变器,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。

电压源高频链逆变器,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

磁导率

饱和磁密

温度影响

加工

价格



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×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×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。变压器效率为η,则在(a)中

PT=Po+Pi=Po+Po/η=Po(1+1/η)

在(b)中

在(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×(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×0.707)/J=(Po×0.707)/(Vo×J)=(250×0.707)/(220×234.9)

=0.00342cm2。



3 实验结果

实验采用(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。