高頻鏈中高頻變壓器的分析與設(shè)計(jì)

1、高頻鏈中高頻變壓器的分析與設(shè)計(jì)          0    引言     MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念。高頻鏈逆變技術(shù)與常規(guī)的逆變技術(shù)最大的不同，在于利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電氣隔離，減小了變壓器的體積和重量。近年來(lái)，高頻鏈技術(shù)引起人們?cè)絹?lái)越多的興趣。 1    概述     圖1是傳統(tǒng)的逆變器框圖。其缺點(diǎn)是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感，導(dǎo)致

2、效率低，噪音大，可*性差。另外，諧波含量大，波形畸變嚴(yán)重，與要求的優(yōu)質(zhì)正弦波相差甚遠(yuǎn)。 圖1    傳統(tǒng)的逆變器     圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當(dāng)今研究的最先進(jìn)方案，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優(yōu)點(diǎn)，諸如，以小型的高頻變壓器替代工頻變壓器；只有兩級(jí)功率變換；正弦波質(zhì)量高；控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件，肩負(fù)著隔離和傳輸功率的重任，其性能好壞直接決定逆變器的性能好壞。不合格的變壓器溫升高，效率低，漏感嚴(yán)重，輸出波形畸變大，直接影響電路的穩(wěn)定性和可*性，甚至損壞開關(guān)器件，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。 圖2

3、    電壓源高頻鏈逆變器 2    高頻變壓器的設(shè)計(jì) 開關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場(chǎng)下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。各種磁芯物理性能及價(jià)格比如表1所列。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs開關(guān)電源中。本文采用的就是鐵氧體材料。 表1    各種磁芯特性比較表 磁芯類型 非

4、晶合金 薄硅鋼片 坡莫合金 鐵氧體 鐵損 低 高 中 低 磁導(dǎo)率 高 低 高 中 飽和磁密 高 高 中 低 溫度影響 中 小 小 中 加工 難 易 易 易 價(jià)格 中 低 中 低     高頻變壓器的設(shè)計(jì)通常采用兩種方法：第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP（AP=AW×Ae，稱磁芯面積乘積），根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號(hào)；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)討論如何用AP法設(shè)計(jì)高頻變壓器。    原邊NP匝，副邊Ns匝的變壓器，在NP匝上以電壓V1開關(guān)工作時(shí)，根據(jù)法

5、拉第定律，有     V1=KffsNPBWAe（1） 式中：Kf為波形系數(shù)，即有效值和平均值之比，正弦波為4.44，方波為4；       fs為工作頻率；       BW為工作磁通密度。     NP=    (2)     鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數(shù)Ko（一般取0.4）為有效面積，該面積為原邊繞組NP占據(jù)的窗口面積NPAP與副邊繞組Ns占據(jù)的窗口面積NsAs之和，

6、即     KoAW=NPAPNsAs（3） 式中：AP及As分別為原、副邊繞組每匝的截面積。     每匝所占用面積與流過該匝的電流值I和電流密度J有關(guān)，如式（4）所示。     AP=     As=(4)     將式（4）代入式（3），則得     KoAW= 即    AWAe=    (5)     電流密度J直接影

7、響到溫升，亦影響到AWAe，其關(guān)系可用式（6）表示。     J=KJ(AWAe)X(6) 式中：KJ為電流密度系數(shù)；X為常數(shù)，由所用磁芯確定。     若變壓器的視在功率PT=V1I1V2I2，則     AWAe= 即    AP=    (7) 式中：AP單位為cm4，其余的單位為國(guó)際單位制。     視在功率隨線路結(jié)構(gòu)不同而不同。如圖3所示。變壓器效率為，則在圖3（a）中    

8、 PT=PoPi=Po=Po     在圖3（b）中     PT=Po     在圖3（c）中     PT=Po本文采用圖3（b）的結(jié)構(gòu)，VDC=24V，Po=250W，設(shè)=0.95，則     PT=Po617W （a）二次橋式整流 （b）二次全波整流 （c）一次推挽二次半波整流 圖3視在功率與線路結(jié)構(gòu)關(guān)系     若采用E型磁芯，允許溫升25，則有KJ=323，X=0.14。飽和磁密約為0.35T，考慮到高溫

9、時(shí)飽和磁密會(huì)下降，同時(shí)，為了防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，取飽和磁密的1/3為變壓器的工作磁密，即BW=0.117T。工作頻率為20kHz，由式（7）可得     AP=6.65（cm4）     取10的裕度，即AP=6.65×（110）7.28cm4，查手冊(cè)選取E17鐵氧體磁芯，其AW=2.56cm2，Ae=3.80cm2，AP=9.73cm4，滿足要求。     確定磁芯材料后，則其他參數(shù)計(jì)算如下：     1）原邊繞組匝數(shù)NP   

10、0; NP=7匝；     2）原邊電流IP     IP=10.96A；     3）電流密度J     J=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2；     4）原邊繞組裸線面積AXP     AXP=0.04666cm2；     5)副邊繞組匝數(shù)Ns    逆變器工作時(shí)占空比D=0.75，幅值為220V，則     N

11、s=120.99121匝     6）副邊繞組裸線面積AXS    注意中間抽頭變壓器Io須乘0.707的校正系數(shù)，則     AXS=0.00342cm2。 3    實(shí)驗(yàn)結(jié)果     實(shí)驗(yàn)采用圖3（b）的結(jié)構(gòu)，參數(shù)如下：     輸入電壓    DC24V；     開關(guān)頻率    20kHz；   &#

12、160; 占空比    D=0.75；     輸出電壓    AC220V；     輸出功率    250W；     輸出頻率    50Hz；     變壓器磁芯    E17鐵氧體磁芯；     原邊繞組匝數(shù)    7匝；     副邊繞組匝數(shù)    121匝。     該高頻鏈工作穩(wěn)定可*，噪聲很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該高頻變壓器滿足實(shí)際要求。 4    結(jié)語(yǔ)     1）設(shè)計(jì)中，在最大輸出功率時(shí)，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生失真。     2）在瞬變過程中，高頻鏈漏感和分布電容會(huì)引起浪涌電流和尖峰電壓及