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高頻電源變壓器設計原則要求和程序

作者:admin來源:電子工程世界 日期:2011-9-19 9:58:34 人氣: 標簽:90

1前言

電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離,作為一種主要的軟磁電磁元件,在電源技術中和電力電子技術中得到廣泛的應用。根據傳送功率的大小,電源變壓器可以分為幾檔:10kVA以上為大功率,10kVA~0.5kVA為中功率,0.5kVA~25VA為小功率,25VA以下為微功率。傳送功率不同,電源變壓器的設計也不一樣,應當是不言而喻的。有人根據它的主要功能是功率傳送,把英文名稱Power Transformers譯成功率變壓器,在許多文獻資料中仍然在使用。究竟是叫電源變壓器,還是叫功率變壓器好呢?有待于科技術語方面的權威機構來選擇決定。

同一個英文名稱PowerTransformer,還可譯成電力變壓器。電力變壓器主要用于電力輸配系統中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用,原邊電壓為6kV以上的高壓,功率最小5kVA,最大超過上萬kVA。電力變壓器和電源變壓器,雖然工作原理都是基于電磁感應原理,但是電力變壓器既強調功率傳送大,又強調絕緣隔離電壓高,無論在磁芯線圈,還是絕緣結構的設計上,都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別,更不能將電力變壓器設計的優化設計條件生搬硬套地應用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設計方法不一樣,也應當是不言而喻的。

高頻電源變壓器是工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器,主要用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器,也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源變壓器的。按工作頻率高低,可分為幾個檔次:10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。傳送功率比較大的,工作頻率比較低;傳送功率比較小的,工作頻率比較高。這樣,既有工作頻率的差別,又有傳送功率的差別,工作頻率不同檔次的電源變壓器設計方法不一樣,也應當是不言而喻的。

2 高頻電源變壓器的設計原則

高頻電源變壓器作為一種產品,自然帶有商品的屬性,因此高頻電源變壓器的設計原則和其他商品一樣,是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重性能和效率,有時可能偏重價格和成本?,F在,輕、薄、短、小,成為高頻電源的發展方向,是強調降低成本。其中成為一大難點的高頻電源變壓器,更需要在這方面下功夫。所以在高頻電源變壓器的設計要點一文中,只談性能,不談成本,不能不說是一大缺憾,如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則,追求更好的性能價格比,傳送不到10VA的單片開關電源高頻變壓器,應當設計出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本,市場的價值規律是無情的!許多性能好的產品,往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰。

往往一種新產品最后被成本否決。一些節能不節錢的產品為什么在市場上推廣不開值得大家深思。產品成本,不但包括材料成本,生產成本,還包括研發成本,設計成本。因此,為了節約時間,根據以往的經驗,對高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數據,對窗口填充程度,繞組導線和結構推薦一些方案,有什么不好?為什么一定要按步就班地來回進行推算和仿真,才不是概念錯誤?作者曾在20世紀80年代中開發高頻磁放大器式開關電源,以溫升最低為條件,對高頻電源變壓器進行過優化設計。由于熱阻難以確定,結果與試制樣品相差甚遠,不得不再次修正?,F在有些公司的磁芯產品說明書中,為了縮短用戶設計高頻電源變壓器的時間,有的列出簡化的設計公式,有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想,又推廣公司產品的雙贏行為,是完全符合市場規律的行為,絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問題是提供的參考數據,推薦的方案是否是經驗的總結?有沒有普遍性?包括辨析一文中提出的一些說法,都需要經過實踐檢驗,才能站得住腳

總之,千萬記?。焊哳l電源變壓器是一種產品(即商品),設計原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產品能否經受住市場的考驗。

3 高頻電源變壓器的設計要求

以設計原則為出發點,可以對高頻電源變壓器提出4項設計要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本。

3.1 使用條件

使用條件包括兩方面內容:可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性,現在由于環境保護意識增強,必須注意電磁兼容性??煽啃允侵冈诰唧w的使用條件下,高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對高頻電源變壓器影響最大的是環境溫度。有些軟磁材料,居里點比較低,對溫度敏感。例如:錳鋅軟磁鐵氧體,居里點只有215℃,其磁通密度,磁導率和損耗都隨溫度發生變化,故除正常溫度25℃外,還要給出60℃,80℃,100℃時的各種參考數據。

因此,將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下,也就是環境溫度為40℃時,溫升只允許低于60℃,相當于A級絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件,一般都采用E級和B級絕緣材料,采用H級絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜,是不是大材小用?成本增加多少?是不是因為H級絕緣的高頻電源變壓器優化的設計方案,可以使體積減少1/2~1/3的緣故?如果是,請舉具體實例數據。作者曾開發H級絕緣工頻50Hz,10kVA干式變壓器,與B級絕緣工頻50Hz,10kVA干式變壓器相比,體積減小15%到20%,已經相當可觀了。本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器,如次級繞組采用三重絕緣線,能把體積減小1/2~1/3,那一定是很寶貴的經驗。請有關作者詳細介紹優化設計方案,以便廣大讀者學習。

電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產生對外界的電磁干擾,又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料,產生的電磁干擾大。例如,錳鋅軟磁鐵氧體,磁致伸縮系數S為2110-6,是取向硅鋼的7倍以上,是高磁導坡莫合金和非晶合金的20倍以上,是微晶納米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此,工作頻率為100kHz左右的高頻電源變壓器,沒有特殊原因是不會產生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開關電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz~20kHz,一定有其原因。由于沒有畫出噪聲頻譜圖,具體原因說不清楚,但是由高頻電源變壓器本身產生的可能性不大,沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。至于采用這種粘合工藝可將音頻噪聲降低5dB,請給出實例與數據以及對噪聲原因的詳細說明,才會令人可信。

屏蔽是防止電磁干擾,增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播,在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當采取相應的措施,只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案,因為它只能阻止輻射干擾,不能阻止傳導干擾。

3.2 完成功能

高頻電源變壓器完成功能有3個:功率傳送,電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式,加在原繞組上的電壓,在磁芯中產生磁通變化,使副繞組感應電壓,從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過程中,磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式,磁通密度從最大值Bm變化到剩余磁通密度Br,或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值B=Bm-Br。為了提高B,希望Bm大,Br小。雙方向變化工作模式磁通度從+Bm變化到-Bm,或者從-Bm變化到+Bm。磁通密度變化值B=2Bm,為了提高B,希望Bm大,但不要求Br小,不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式,變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導率有關。

第二種是電感器功率傳送方式,原繞組輸入的電能,使磁芯激磁,變為磁能儲存起來,然后通過去磁使副繞組感應電壓,變成電能釋放給負載。傳送功率決定于電感磁芯儲能,而儲能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導率有關,磁導率高,電感量大,儲能多,而不直接與磁通密度有關。雖然功率傳送方式不同,要求的磁芯參數不一樣,但是在高頻電源變壓器設計中,磁芯的材料和參數的選擇仍然是設計的一個主要內容。在電源變壓器設計要點一文中,很遺憾缺少這一個主要內容。只是在交流損耗一條中,提出BAC典型值為0.04~0.075T。顯然,文中的高頻電源變壓器是采用電感功率傳送方式,為什么不提磁導率,而提BAC弄不清楚。經查閱,在《電源技術應用》2003年1/2期,同一主要作者寫的開關電源設計要點一文中,列出了磁芯的選擇,也沒有提磁導率,只是提出最大磁通密度Bm為0.275T。由于沒有畫磁通密度變化波形,弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致:為什么BAC和Bm相差6.8~3.7倍?更不清楚,選的是哪一種軟磁鐵氧體材料?為什么選這種型號?兩文中都沒有一點說明,只好讓讀者自己去猜想了。

電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數比來完成。不管功率傳送是哪一種方式,原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數比,只要不改變匝數比,就不影響電壓變換。但是,繞組匝數與高頻電源變壓器的漏感有關。漏感大小與原繞組匝數的平方成正比。有趣的是,漏感能不能規定一個數值?設計要點一文中說:對于一符合絕緣及安全標準的高頻變壓器,其漏感量應為次級開路時初級電感量的1%~3%。辨析一文中說:在很多技術單上,標注著漏感=1%的磁化電感或漏感2%的磁化電感等類似的技術要求。其實這種寫法或設計標準很不專業。電源設計者應當根據電路正常工作要求,對所能接受的漏感值作一個數值限制。在制作變壓器的過程中,應在不使變壓器的其他參數(如匝間電容等)變差的情況下盡可能減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關系作為技術要求。否則這將表明你不理解漏感知識或并不真正關心實際的漏感值。雖然兩篇文章說法不一樣,但是有一點是共同的,就是盡可能減小漏感值。因為漏感值大,儲存的能量也大,在電源開關過程中突然釋放,會產生尖峰電壓,增加開關器件承受的電壓峰值,對絕緣不利,也產生附加損耗和電磁干擾。

絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結構來完成。為了保證繞組之間的絕緣,必須增加兩個繞組之間的距離,從而降低繞組間的耦合程度,使漏感增大。還有,原繞組一般為高壓繞組,匝數不能太少,否則,匝間或者層間電壓相差大,會引起局部短路。這樣,匝數有下限,使漏感也有下限??傊?,在高頻電源變壓器絕緣結構和總體結構設計中,要統籌考慮漏感和絕緣強度問題。

3.3 提高效率

提高效率是對電源和電子設備的普遍要求。雖然從單個高頻電源變壓器來看,損耗不大。例如,100VA高頻電源變壓器,效率為98%時,損耗只有2W,并不多。但是成十萬個,成百萬個高頻電源變壓器,總損耗可能達到上100kW,甚至上MW。還有,許多高頻電源變壓器一直長期運行,年總損耗相當可觀,有可能達到上10GWh。這樣,提高高頻電源變壓器效率,可以節約電力。節約電力后,可以少建發電站。少建發電站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,廢氣,廢水,煙塵和灰渣,減少對環境的污染。既具有節約能源,又具有環境保護的雙重社會經濟效益。因此,提高效率是高頻電源變壓器一個主要的設計要求,一般效率要提高到95%以上,損耗要減少到5%以下。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗(鐵損)和繞組損耗(銅損)。有人關心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個比例是隨變壓器的工作頻率發生變化的。如果變壓器的外加電壓不變,工作頻率越低,繞組匝數越多,銅損越大。因此在50Hz工頻下,銅損遠遠超過鐵損。例如:50Hz,100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器,銅損為鐵損的5倍左右

50Hz,100kVASH11型三相油浸式非晶合金電力變壓器,銅損為鐵損的20倍左右。并不存在辨析一文中所說那樣,工頻變壓器從熱穩定熱均勻角度出發,把銅損等于鐵損作為經驗設計規則。隨著工作頻率升高,繞組匝數減少,雖然由于趨表效應和鄰近效應存在而使繞組損耗增加,但是總的趨勢是銅損隨著工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗,隨著工作頻率升高而迅速增大。在某一段工作頻率,有可能出現銅損和鐵損相等的情況,超過這一段工作頻率,鐵損就大于銅損。造成鐵損不等于銅損的原因,也并不象辨析一文中所說那樣是由于高頻變壓器采用非常細的漆包線作為繞組。導線粗細的選擇,雖然受趨表效應影響,但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來決定,與工作頻率不存在直接關系。而且,選用非常細的漆包線作為繞組,反而會增加銅損,延緩銅損的下降趨勢。說不定在設計選定的工作頻率下,還有可能出現銅損等于鐵損的情況。根據有的資料介紹,中小功率高頻電源變壓器的工作頻率在100kHz左右,鐵損已經大于銅損,而成為高頻電源變壓器損耗的主要部分。

正因為鐵損是高頻電源變壓器損耗的主要部分,因此根據鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設計的一個主要內容。鐵損也成為評價軟磁芯材料的一個主要參數。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關,在介紹軟磁磁芯材料鐵損時,必須說明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下損耗。用符號表示時,也必須標明PB/f〔式中工作磁通密度B的單位是T(特斯拉),工作頻率f的單位是Hz(赫芝)〕。例如,P0.5/400表示工作磁通密度為0.5T,工作頻率為400Hz時的損耗。又例如,P0.1/100k表示工作磁通密度為0.1T,工作頻率為100kHz時的損耗。鐵損還與工作溫度有關,在介紹軟磁磁芯材料鐵損時,必須指明它的工作溫度,特別是軟磁鐵氧體材料,對溫度變化比較敏感,在產品說明書中都要列出25℃至100℃的鐵損。

軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限,常常是鐵損限制了工作磁通密度的上限。所以,在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類標準中,把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積Bf,作為材料的性能因子,并說明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類標準根據性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1,PW2,PW3,PW4,PW5等5類,性能因子越高的,工作頻率越高,極限頻率也越高。例如,PW3類軟磁鐵氧體材料,工作頻率為100kHz,極限頻率為300kHz,性能因子Bf為10000mTkHz,即在100mT(0.1T)和100kHz下,100℃時損耗a級300kW/m(300mW/cm3),b級150kW/m3(150mW/cm3)。日本TDK公司生產的PC44型軟磁鐵氧體材料達到PW3a級標準,達不到PW3b級標準。

設計要點一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時的損耗應低于50mW/cm3,沒指明是選哪一類軟磁鐵氧體材料,也沒說明損耗對應的工作磁通密度。

在某一段工作頻率下,高頻電源變壓器的繞組損耗(銅損)與鐵損相接近時,例如,銅損/鐵損=100%~25%范圍內,銅損也不能忽視,也應當考慮采取措施來減少銅損。由于原繞組和副繞組承擔的功率相近,往往在設計中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損,以便簡化設計計算過程,這并不象辨析一文中所說的那樣:只是工頻變壓器設計的一種經驗規則,對一定工作頻率下高頻電源變壓器設計也適用。不能只強調依靠溫升來設計高頻電源變壓器,由于熱阻不容易準確確定,設計計算相當麻煩。因此,為了簡化計算,有時根據經驗預先推薦一些原則和數據是必要的。同樣,為了簡化計算,對不同工作頻率,不同功率的高頻電源變壓器推薦不同的繞組電流密度,也是必要的,但不限于某一個電流密度值,例如,2A/mm2~3A/mm2。應當看到:實現高頻電源變壓器設計要求的方法并不限于一種,應當允許進行多種多樣的探索。你走你的陽關道,我走我的獨木橋。為什么一定要按你指定的道路走,才不是錯誤概念呢?

3.4 降低成本

降低成本是高頻電源變壓器的一個主要設計要求,有時甚至是決定性的要求。高頻電源變壓器作為一種產品,和其他商品一樣,都面臨著市場競爭。競爭的內容包括性能和成本兩個方面,缺一不可。不注意降低成本,往往會在競爭中被淘汰。

高頻電源變壓器的成本包括材料成本,制造成本和管理成本。設計是高頻電源變壓器降低成本的主要手段。高頻電源變壓器所用的材料和零部件的貴賤和數量的多少?是否方便采購?是否要備有多少庫存量?磁芯,線圈和總體結構的加工和裝配工藝復雜還是簡單?需要人工占的比例多大(實現生產過程的機械化和自動化,可以減少人工工時,更能保證產品的一致性和質量)?是否需要工模具?質量控制中需要檢測的工序和參數:哪些參數要在加工過程中檢測?哪些參數要在出廠試驗中檢測(出廠試驗的參數應選擇能決定性能的關鍵參數,數量不要多,以便能即時判斷產品質量。)?哪些參數要在型式試驗中檢測?要用什么檢測儀器和設備,價格如何?等等,都是由設計來決定的。因此,高頻電源變壓器的設計者除了要了解高頻電源變壓器的理論和設計方法而外,還要了解各種軟磁材料和磁芯的性能和價格,各種電磁線的性能和價格,各種絕緣材料的性能和價格;還要了解磁芯加工熱處理工藝,線圈繞制和絕緣處理工藝及變壓器組裝工藝;還要了解實現質量控制的檢測參數和儀器設備;還要了解生產管理的基本知識以及高頻電源變壓器的市場動態等等。只有知識全面的設計者,才能設計出性能好,成本低的高頻電源變壓器產品。

降低成本是促進高頻電源變壓器技術發展的一種推動力。為什么輕、薄、短、小成為高頻電源變壓器的發展方向?原因之一是這樣既能降低材料成本,又能降低制造成本。提高工作頻率,可以使高頻電源變壓器的重量和體積下降。但是,要克服高頻帶來的負面影響,必須采用新的軟磁材料和導電材料并增加抑制高頻電磁干擾的措施,因此,對具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟選用多高的工作頻率?要在綜合考慮性能和總體成本后決定。提高效率,降低損耗發生的熱量,可以減少高頻電源變壓器散熱的表面積,從而使體積和重量下降。但是,降低損耗必須采用新材料和新工藝。因此,對具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟達到多高的效率?也要在綜合考慮性能和總體成本后決定。

4高頻電源變壓器的設計程序

高頻電源變壓器的設計程序,包括磁芯材料,磁芯結構,磁芯參數,線圈參數,組裝結構和溫升校核等內容。下面分別進行討論。

4.1 磁芯材料

根據高頻電源變壓器的設計要求,選擇軟磁材料本來應當是設計程序的第一項。但是,現在一般都認為高頻電源變壓器應當選擇軟磁鐵氧體,是自然而然的事情。許多有關高頻電源變壓器的論文,專著和教材,只針對軟磁鐵氧體進行討論,而對其他軟磁材料有時說明一下,有時只字不提。而且究竟選擇哪一類軟磁鐵氧體,也不加以說明,好象大家都知道。

和任何軟磁磁芯材料一樣,軟磁鐵氧體有自己的優缺點。軟磁鐵氧體的優點是電阻率高、交流渦流損耗小,價格便宜,易加工成各種形狀的磁芯。缺點是工作磁通密度低,磁導率不高,磁致伸縮大,對溫度變化比較敏感。因此,有些高頻電源變壓器并不適合選擇軟磁鐵氧體。例如,工作頻率比較低(50kHz以下),功率比較大的高頻電源變壓器,如果選擇軟磁鐵氧體,由于工作磁通密度低,用材料多,磁芯體積大,加工困難,易碎,成品率不高,顯不出價格便宜的優勢。又例如,工作頻率高(500kHz以上),功率比較小的高頻電源變壓器,磁芯重量和體積本來都小,如果選擇軟磁鐵氧體,必須用PW4、PW5類材料,價格也不便宜,與其他軟磁材料相比,磁芯價格基本相當,有時反而由于體積大,而處于不利地位。即使在適合于軟磁鐵氧體的工作頻率范圍內,也要對選擇哪一類軟磁鐵氧體更能全面滿足高頻電源。變壓器的設計要求,進行認真考慮,才可以使設計出來的高頻電源變壓器達到比較理想的性能價格比。

4.2 磁芯結構

高頻電源變壓器設計中選擇磁芯結構時考慮的因素有:降低漏磁和漏感,增加線圈散熱面積,有利于屏蔽,線圈繞線容易,裝配接線方便等。

漏磁和漏感與磁芯結構有直接關系。如果磁芯不需要氣隙,則盡可能采用封閉的環形和方框型結構磁芯,特別是工作頻率高的電源變壓器,因為,有一點漏感,就容易產生比較大的漏阻抗。封閉磁芯的磁通基本上集中在磁芯里面,漏磁小。同時,不論外界干擾磁場從哪個方向侵入,都在磁芯中分為兩個方向通過,產生的干擾互相抵消。但是,封閉磁芯繞線困難,且環形磁芯散熱要通過線圈,而且內層引出線也要穿過線圈引出,故必須加強絕緣。不封閉磁芯繞線容易,磁芯散熱面大,可直接散熱,引出線也容易。建議裝線圈的磁路部分為圓柱形截面,減少平均匝長,降低損耗。矮胖圓柱形磁芯的漏磁和漏感比瘦高圓柱形磁芯大,一個原因是胖,圓柱形大,漏磁輻射面大;另一個原因是矮,上下兩磁軛距離近,容易形成漏磁通的路徑。不封閉磁芯中的氣隙大小和位置與漏磁和漏感有密切關系。在保證完成功能所需的氣隙條件下,盡可能減少氣隙尺寸。因為,氣隙尺寸增大,不但增加漏磁和漏感,還減少等值磁導率,增加激磁功率,對高頻電源變壓器工作不利。另外,氣隙的位置最好處于線圈的中間部位,可以起到減少氣隙漏磁通的作用。

窗口面積的大小與線圈發熱損耗和散熱面積有關。窗口面積大,繞的電磁線截面大,電阻小,損耗小,發熱小。同時,線圈外形尺寸大,散熱面積也大。辨析一文中提出窗口面積利用問題,不能采取完全肯定和完全否定的態度。一般在留足工藝需要的窗口面積以后,希望盡可能把窗口面積繞滿。如果不能充分利用窗口面積,將會造成磁芯尺寸和變壓器外形尺寸不必要的增大,有可能要增加材料成本。因此,在高頻電源變壓器磁芯結構設計中,對窗口面積的大小,要綜合考慮各種因素后來決定。辨析一文中關于填滿磁芯窗口主要是受工頻磁性元件設計的影響的理由并不成立。工頻變壓器的銅損比鐵損大,為了增加線圈散熱面積,磁芯與線圈之間留有足夠的氣隙,有時原繞組和副繞組之間也留有氣隙。而不是強調鐵芯和繞組的整體性,因而不希望鐵芯與繞組中間有氣隙。也不是設計成繞組填滿整個窗口,從而保證其機械穩定性。線圈和磁芯既然不是一個整體,必須分別用夾件固緊,才能保證各自的機械穩定性。同時,為了保證足夠的絕緣距離,線圈兩端和繞組之間都必須留有氣隙,不可能用繞組填滿整個窗口。

為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾,有些磁芯結構在窗口外面有封閉和半封閉的外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好,但散熱和接線不方便,必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼,封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用,不封閉的地方用于接線和散熱。窗口完全開放,接線和散熱方便,屏蔽電磁干擾作用差。

4.3 磁芯參數

高頻電源變壓器磁芯參數設計中,要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制,還要受損耗的限制,同時還與功率傳送的工作方式有關。

對變壓器功率傳送方式的磁通單方向變化工作模式,B=Bm-Br,既受飽和磁通密度限制,又更主要地是受損耗限制。但是單方向變化的高頻電源變壓器工作時,沿局部磁滯回線來回變化,磁芯損耗比雙方向變化沿大的磁滯回線來回變化小,只有它的30%~40%。而材料測試時是按正弦波雙向激磁條件下變化的B為2Bm進行的。因此,Bm可以取材料測試損耗值時,選取的B值高一倍以上。Br受材料磁滯回線上的Br限制,可以用開氣隙的辦法來降低Br,以增大磁通密度變化值B。雖然開氣隙后,激磁電流有所增加,但增大B后可以減少磁芯體積,還是值得的。對變壓器功率傳送方式磁通雙方向變化工作模式,B=2Bm,工作的磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多,損耗也大得多,Bm主要受損耗限制,在雙方向變化工作模式中,還要注意由于各種原因造成激磁的正負變化的伏秒面積不相等,而出現直流偏磁問題??梢栽诖判敬怕分屑右粋€小氣隙,或者在電路設計時加隔直流電容,或者采用電流型控制來解決。

對電感器功率傳送方式,磁導率是有氣隙后的等值磁導率,一般都比磁化曲線測出的磁導率小??梢栽诖_定磁芯結構后,直接測試它。設計要點一文中的高頻電源變壓器采用電感器功率傳送方式。不知道為什么不提選用的磁導率,而提BAC或者Bm?也不提BAC或Bm與損耗的關系?

4.4 線圈參數

高頻電源變壓器設計的線圈參數包括:匝數,導線截面(直徑),導線形式,繞組排列和絕緣安排。

原繞組匝數根據外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定,匝數不能過多,也不能過少。如果匝數過多,會增加漏感和繞線工時;如果匝數過少,在外加激磁電壓比較高時,有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大,而必須加強絕緣。

副繞組匝數由輸出電壓決定。高頻電源變壓器主要用于高頻開關電源。開關電源可以對輸出電壓進行調整,調整上限受允許的開關占空比限制。在從要求的負載電壓計算變壓器輸出電壓時,應考慮開關占空比,串聯二極管壓降和變壓器的內阻抗壓降。

導線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。繞組損耗(銅損)占總損耗比例比較大時,推薦電流密度取2~4A/mm2,銅損占總損耗比例比較小時,推薦電流密度取8~12A/mm2,但是,要經過變壓器溫升校核后進行必要的調整。還要注意的是導線截面(直徑)的大小還與漏感有關。在同樣匝數下,導線截面直徑增加,內層排列的匝數減少,層數增加。而漏磁場分布靠近磁芯的內層大,外層小,與磁芯距離平方成反比例地衰減。這樣,漏磁通大的內層交鏈的匝數減少從而使漏感下降。

設計要點一文中提出的繞組排列形式,是一般用的繞組排列方式:原繞組靠近磁芯,副繞組和反饋繞組逐漸向外排列。這種繞組排列形式并不理想。下面推薦兩種繞組排列形式:

1)如果原繞組電壓高(例如220V),副繞組電壓低,可以采用副繞組靠近磁芯,接著繞反饋繞組,原繞組在最外層的繞組排列形式,這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排;

2)如果要增加原和副繞組之間耦合,可以采用一半原繞組靠近磁芯,接著繞反饋繞組和副繞組,最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式,這樣有利于減少漏感。

絕緣安排首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級,要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級低,滿足不了耐熱要求,等級過高,會增加不必要的材料成本。其次,對在圓柱形磁路上繞線的線圈,最好采用線圈骨架,既可以保證絕緣,又可以簡化繞線工藝。還有,線圈最外層和最里層,高壓和低壓繞組之間都要加強絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜,加強絕緣應墊2~3層絕緣薄膜。

4.5 組裝結構

高頻電源變壓器組裝結構分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯,都采用臥式組裝結構,上下表面比較大,有利于散熱

或者附加散熱器,高度低,有利于安裝在印刷電路板上。組裝結構中采用的夾件和接線端子等盡量采用標準件,以便于外協加工,降低成本。

4.6 溫升校核

溫升校核可以通過計算和樣品測試來進行。一般通過樣品試驗進行溫升核算的比較多一些。如果樣品試驗溫升不超過允許溫升,可以通過。但是試驗溫升低于允許溫升15℃以上,要對繞組的電流密度和

導線截面進行調整,適當增加電流密度和減少導線截面。如果樣品試驗溫升超過允許溫升,則要對繞組的電流密度和導線截面進行調整,適當減少電流密度和增加導線截面。如果增加導線截面,窗口繞不下,要增加磁芯尺寸。如果樣品試驗磁芯溫升超過允許溫升,則要增加磁芯的散熱面積,加大磁芯。

5 結語

高頻電源變壓器隨著工作頻率的提高,設計不斷發生變化,不斷出現新的軟磁材料,新的磁芯結構,新的導線材料和絕緣材料,新的線圈結構和組裝結構等等,不斷出現新的設計方法,就象登山一樣,不斷攀上新的臺階。

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