基于AP法的70KHzDC_DC開(kāi)關(guān)變換器主變壓器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1、西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版第35卷第4期 Journal of Southwest University for Nationalities Natural Science Edition Jul.2009_收稿日期:2009-04-01作者簡(jiǎn)介:王曉容(1968-, 女, 四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師, E-mail: wxr26文章編號(hào): 1003-2843(200904-0848-05 基于AP 法的70 KHz DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器主變壓器設(shè)計(jì)及應(yīng)用王曉容(四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 成都 610072摘 要: 本文詳細(xì)介紹了1200W/70KHz 移相全橋ZVZCS PWM D

2、C/DC 開(kāi)關(guān)變換器主變壓器的技術(shù)參數(shù)、磁心選擇、設(shè)計(jì)方法和計(jì)算過(guò)程, 以及制作變壓器時(shí)的一些關(guān)鍵問(wèn)題. 最后給出了變壓器原、副邊繞組的實(shí)驗(yàn)電壓波形, 設(shè)計(jì)符合要求, 并且漏感小、干擾小、波形失真小, 具有良好的電氣性能.關(guān)鍵詞: 高頻變壓器; 軟磁鐵氧體; AP 法中圖分類(lèi)號(hào): TM433 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A引言由于從市場(chǎng)上很難購(gòu)到符合設(shè)計(jì)要求的磁性元器件, 而且高頻開(kāi)關(guān)變換器的很多問(wèn)題是由于磁性元器件的工藝、結(jié)構(gòu)和制造不合理引起的, 因此開(kāi)關(guān)變換器設(shè)計(jì)工作的大部分就是對(duì)磁性元器件的設(shè)計(jì), 開(kāi)關(guān)變換器設(shè)計(jì)的成敗在很大程度上取決于磁性元器件的正確設(shè)計(jì)和制作. 變壓器是開(kāi)關(guān)變換器中的核心磁性元器件

3、, 許多其它主電路元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)都依賴于變壓器的參數(shù), 對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要. 變壓器不僅要滿足耦合好、漏感小、損耗低、干擾小、在輸入電壓最高且占空比最大情況下不會(huì)出現(xiàn)磁飽和等以外, 還要求效率高、體積小、重量輕. 因此對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)與制作往往不會(huì)一蹴而就, 而是需要多次計(jì)算和反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能最終確定下來(lái). 1 DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器及其主要技術(shù)參數(shù)1200W/70KHz 移相全橋ZVZCS PWM DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器的電路如圖1所示, 其中Q1Q4是開(kāi)關(guān)管MOSFET; D1、D2分別是Q1、Q2的反并超快恢復(fù)二極管, D3、D4是串在滯后橋臂的阻斷超快恢復(fù)二極管; C1、C2是諧

4、振電容, 這里應(yīng)用Q1、Q2的寄生電容即可, 電容Cb 起阻斷和隔直的作用; T 即是變換器的70KHz 高頻變壓器, Llk 為漏感; D5D8為副邊高頻大功率快速整流二極管; Lf 、Cf 構(gòu)成輸出濾波電路.主要技術(shù)參數(shù)如下:變換器為移相全橋ZVZCS PWM DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器, 變壓器副邊采用全橋整流電路, 變換器工作頻率70=s f KHz, 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓占空比8.0=D ;考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)%10±與前級(jí)濾波電容的影響, 變換器輸入電壓最小值242(min=in V V 、最大值342(max=in V V , 額定輸出電壓4800=V 、輸出電流5.20=I A;

5、在最小輸入242V 時(shí), 變壓器原邊繞組電壓占空比1T D 最大, 等于開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓占空比, 即8.0(max1=D D T .變換器效率%90, 變壓器效率%95T ;環(huán)境溫度最高40, 變壓器允許溫升50=T , 變壓器散熱方式為風(fēng)冷.第4期 圖1 1200W/70KHz DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器2 變壓器設(shè)計(jì)方法開(kāi)關(guān)變換器頻率為70KHz, 工作時(shí)的電壓、電流波形都是高頻方波, 應(yīng)按高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作.高頻變壓器的設(shè)計(jì)最常用的有兩種方法: AP 法和G K 法. AP 法是求出磁心窗口面積W A 與磁心有效截面積e A 的乘積AP(e W A A AP ×=,

6、稱(chēng)磁心面積乘積, 根據(jù)AP 值選擇所需的磁心1 2. G K 法是求出磁心幾何參數(shù), 根據(jù)幾何參數(shù)選擇磁心. 這里, 變換器的變壓器設(shè)計(jì)采用AP 法.若線圈導(dǎo)線電流密度J 的單位為A/cm², 則AP 表達(dá)式為JB f K K P A A AP W s f T e W 0410×=(cm 4, (1 式中, T P 為變壓器的計(jì)算功率; 0K 為窗口使用系數(shù), 一般典型值取4.00=K ; f K 為波形系數(shù), 變壓器原副邊繞組波形為方波, 取4=f K ; s f 為變換器工作頻率(Hz; W B 為磁心工作磁感應(yīng)強(qiáng)度(T.繞組導(dǎo)線電流密度J 直接影響溫升, 亦影響AP

7、值, 可表示為Xe W j A A K J (=,式中, j K 表示電流密度比例系數(shù); X 是由所選用磁心確定的結(jié)構(gòu)常數(shù). 則, AP 又可表示為 X j W s f T e W K B f K K P A A AP +×=1104 10(cm 4. (2 3 磁心選擇與工作磁感應(yīng)強(qiáng)度W B 的確定 3.1 磁心選擇 高頻變壓器的磁心多采用軟磁材料, 常用的軟磁材料有軟磁鐵氧體、硅鋼片、鐵鎳軟磁合金、非晶合金和超微晶合金等. 硅鋼片具有較低的損耗和較高的磁導(dǎo)率, 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度也很高, 但其最大工作頻率在10KHz 左右; 鐵鎳軟磁合金具有極高的磁導(dǎo)率, 損耗小, 但其價(jià)格比較昂貴

8、; 非晶合金分成鐵基、鐵鎳基、鈷基、微晶合金, 均具有很高的磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度, 但價(jià)格貴. 軟磁鐵氧體雖然損耗比鐵鎳軟磁合金大、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比非晶合金和超微晶合金低, 但高頻損耗小、價(jià)格低廉, 且易于加工, 在開(kāi)關(guān)電源磁性元器件中應(yīng)用的最多. 綜合考慮, 選用E 型錳鋅軟磁鐵氧體作為變壓器磁心, 因?yàn)镋 型磁心窗口大、散熱好、結(jié)構(gòu)規(guī)則、引線空間大, 繞制和連線比較方便.3.2 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度W B 的確定 西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度W B 與磁心結(jié)構(gòu)、磁心材料、工作頻率和輸出功率等有關(guān)3, 合理選擇W B 可以減小變壓器體積、優(yōu)化分布參數(shù)、使溫升在允許范圍內(nèi)

9、、不出現(xiàn)磁心飽和現(xiàn)象等. 錳鋅軟磁鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度S B 約0.5T, 磁心損耗在80100的實(shí)際工作溫度內(nèi)具有負(fù)溫度系數(shù), 直流開(kāi)關(guān)電源工作環(huán)境溫度最高為40, 變壓器溫升一般定為4050溫升. 全橋變換器工作在50KHz 以下時(shí), 設(shè)計(jì)工作磁感應(yīng)強(qiáng)度可選為0.16T, 當(dāng)變換器工作頻率高于50KHz 時(shí), 磁心損耗與頻率成1.62次方關(guān)系、與磁感應(yīng)擺幅B 成22.7次方關(guān)系, 工作磁感應(yīng)擺幅B 應(yīng)隨頻率升高而下降4. 由于變換器工作頻率為70KHz, 為了減小鐵損, 這里選取工作磁感應(yīng)強(qiáng)度1.0=W B T.4 變壓器主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算4.1 變壓器的計(jì)算功率變壓器的計(jì)算功率即總的視在

10、功率由變換器的輸出功率和副邊整流電路形式?jīng)Q定的, 副邊為全橋整流, 因此計(jì)算功率T P 為246311(0+=TT P P W式中, 0P 為輸出功率1200W, 取95.0=T . 4.2 AP 值計(jì)算與磁心型號(hào)選擇假設(shè)變壓器繞組導(dǎo)線電流密度400=J A/cm²(一般取J 不超過(guò)600A/cm². E 型錳鋅軟磁鐵氧體的結(jié)構(gòu)參數(shù)12.0=X 、534=j K (允許溫升50. 已知: 4.00=K , 4=f K , 31070×=s f Hz, 1.0=W B T. 用式(1計(jì)算AP 值如下50.51004×=JB f K K P A A AP W

11、 s f T e W (cm 4. 用式(2計(jì)算AP 值如下99.410(1104×=+X jW s f T e W K B f K K P A A AP (cm 4. 按式(2計(jì)算得到的AP 值計(jì)算導(dǎo)線電流密度32.440(=X j AP K J A/cm², 略大于設(shè)定的400A/cm², 因此這里取較大值5.50cm 4, 考慮%10裕度, 可取AP =6.05cm 4, 選擇新康達(dá)(CONDAE55型磁心成對(duì)使用, 其W A =3.83cm 2, e A =3.54cm 2, AP =13.56cm 4, 繞組導(dǎo)線電流密度54.390=J A/cm 2,

12、符合要求.4.3 原邊繞組匝數(shù)1N 計(jì)算與繞組導(dǎo)線選擇原邊繞組匝數(shù)1N 計(jì)算24(min1=eW s f in e W s f in A B f K V A B f K V N (匝. 原邊繞組導(dǎo)線銅截面積1X A 計(jì)算及其選擇34.1(min01=in T X V J P A (mm 2. 繞組導(dǎo)線的選擇必須考慮集膚效應(yīng), 70KHz 時(shí)穿透深度2497.0=mm, 選用的導(dǎo)線裸線直徑應(yīng)小于2, 即0.5mm. 原邊繞組選用三層絕緣電線絞合線型TEX-ELZ, TEX-ELZ 是為應(yīng)對(duì)高頻而將多股單層漆包線絞合后, 再在外側(cè)附有三層絕緣層的絕緣繞組電線, 采用三層絕緣電線還有一個(gè)好處就是不用

13、考慮爬電距離. 這里選用導(dǎo)體直徑規(guī)格為“28.0/7”的TEX-ELZ 并繞構(gòu)成原邊繞組, 該三層絕緣電線由7股線徑28.0=d mm 的 第4期 銅導(dǎo)線構(gòu)成, 標(biāo)稱(chēng)成品外徑為 1.080mm, 最大成品外徑 1.120mm, 20時(shí)最大導(dǎo)體電阻42.85/km. 按34.11=X A mm 2計(jì)算需要約3.11根, 選取4根并繞, 4根導(dǎo)線銅截面積約1.72 mm 2, 符合1X A 要求. 4.4 副邊繞組匝數(shù)2N 計(jì)算與繞組導(dǎo)線選擇副邊繞組匝數(shù)2N 計(jì)算601(min(max102=N V D V N in T (匝. 副邊繞組導(dǎo)線銅截面積2X A 計(jì)算及其選擇64.002=JI A X

14、 (mm 2. 因開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)20KHz, 繞組導(dǎo)線的選擇同樣須考慮集膚效應(yīng), 按64.02=X A mm 2計(jì)算需要約1.49根, 這里副邊繞組選用2根導(dǎo)體直徑規(guī)格為“28.0/7”的TEX-ELZ 三重絕緣電線并繞, 2根電線銅截面積約0.86 mm 2, 符合2X A 要求.4.5 窗口面積核算TEX-ELZ 三重絕緣電線“28.0/7”的最大成品外徑為1.120mm, 原邊繞組4根并繞24匝、副邊繞組2根并繞60匝, 則原、副邊繞組所有匝數(shù)的銅截面積約93.05mm 2, 原、副邊繞組所有匝數(shù)的導(dǎo)線截面積約212.70 mm 2(按最大成品外徑1.120mm 計(jì)算, 若取窗口充填系數(shù)為

15、0.4, 則可計(jì)算得到能繞下全部導(dǎo)線的磁心窗口面積為232.63 mm 2. 而成對(duì)使用E55時(shí)W A =3.83cm 2, 均大于212.70 mm 2和232.63 mm 2, 可見(jiàn)選用E55磁心窗口面積是合適的.5 反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定的原副邊匝數(shù)與線圈繞制方式在制作1200W/70KHz DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器的主變壓器時(shí), 經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試, 最終確定變壓器原邊繞組匝數(shù)1N 為21匝、副邊繞組匝數(shù)2N 為56匝, 即原、副邊繞組變比375.021=N N K .為了使原、副邊繞組耦合較均勻, 應(yīng)將原邊繞組線圈和副邊繞組線圈的位置盡可能安排均勻. 全部繞組分7層, 原邊繞組3層, 每層7

16、匝, 副邊繞組4層, 每層16匝, 因選用的三層絕緣線成品標(biāo)稱(chēng)外徑1.080mm >0.3mm, 故采用層疊式繞制, 從磁心中柱到邊柱的第1、2、6、7層為副邊繞組, 第3、4、5層為原邊繞組, 即副邊繞組兩段式“全包”原邊繞組. 這種副邊繞組“全包”原邊繞組的分段層疊式繞法可使磁力線在變壓器中分布較均勻, 使原副邊繞組耦合好、變壓器漏感小、干擾較小, 而且還可以減小分布電容, 有利于抑制高頻信號(hào)對(duì)負(fù)載的干擾, 從而減小副邊輸出波形失真. 漏感的大小僅僅取決于線圈的幾何形狀, 而與繞組所纏繞的磁心材料無(wú)關(guān)5, 最終確定下來(lái)的變壓器原邊漏感只有1.8µH, 而且實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)漏感也

17、滿足了移相全橋ZVZCS PWM DC/DC 變換器滯后橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS 的條件.6 變壓器實(shí)驗(yàn)波形設(shè)計(jì)的變壓器是應(yīng)用在1200W/70KHz 軟開(kāi)關(guān)直流電源的主電路即DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器中, 整機(jī)實(shí)驗(yàn)是在水負(fù)載的情況下進(jìn)行的, 在交流220V/50Hz 輸入時(shí), 電源能夠穩(wěn)定輸出480V/2.5A. 圖2、圖3分別是直流開(kāi)關(guān)電源在水負(fù)載實(shí)驗(yàn)情況下變壓器原邊繞組和副邊繞組的電壓波形. 可見(jiàn), 實(shí)際應(yīng)用中變壓器磁心的磁感應(yīng)強(qiáng)度是沒(méi)有達(dá)到飽和的, 副邊輸出電壓波形失真很小, 實(shí)驗(yàn)波形與移相全橋ZVZCS PWM DC/DC 變換器工作特點(diǎn)相符合, 加在變壓器原邊繞組的電壓可看作為矩形脈沖波.

18、 在上升和下降的瞬變過(guò)程中, 由于漏感、分布電容等的影響, 電壓有過(guò)沖甚至振蕩, 會(huì)產(chǎn)生損耗, 這是實(shí)際高頻脈沖變壓器的特點(diǎn), 結(jié)合電源實(shí)際的軟開(kāi)關(guān)工作情況分析可以知道這個(gè)損耗是很小的. 西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版 圖2 變壓器原邊繞組電壓實(shí)驗(yàn)波形圖3 變壓器副邊繞組電壓實(shí)驗(yàn)波形7 結(jié)束語(yǔ)DC/DC開(kāi)關(guān)變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的課題. 本文所述高頻變壓器是應(yīng)用在變換器開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的直流開(kāi)關(guān)電源中, 變壓器的寄生參數(shù)如漏感、匝間電容、層間電容等對(duì)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)的諧振回路的參數(shù)設(shè)計(jì)是有較大影響的, 因此只有通過(guò)反復(fù)的計(jì)算、設(shè)計(jì)、制作、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試等過(guò)程, 才能使高頻

19、變壓器的性能得到不斷改善, 最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求、滿足實(shí)際需要.設(shè)計(jì)的高頻變壓器是應(yīng)用在移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器中. 全橋電路中功率開(kāi)關(guān)元件的飽和壓降、存儲(chǔ)時(shí)間的不同以及其他原因都會(huì)造成電壓波形正負(fù)半波不對(duì)稱(chēng), 從而造成偏磁現(xiàn)象, 導(dǎo)致磁心飽和, 甚至燒毀開(kāi)關(guān)管. 這里移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器的阻斷電容Cb在發(fā)揮主要功能的同時(shí)還起到了隔直作用, 抑制了變壓器的偏磁現(xiàn)象, 無(wú)須另外考慮偏磁抑制措施.實(shí)驗(yàn)表明, 應(yīng)用AP法設(shè)計(jì)的70KHz高頻變壓器在變換器最低輸入直流電壓242V、額定輸出1200W時(shí)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%以上, 具有較好的電氣特性, 并且磁心溫升

20、在允許范圍內(nèi), 噪聲很低, 對(duì)電源變換器開(kāi)關(guān)管、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等高頻工作狀態(tài)的元器件和電路的干擾較小, 電源工作穩(wěn)定可靠.參考文獻(xiàn):1 曲學(xué)基, 王增福, 曲敬鎧. 新編高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.2 張占松, 蔡宣三. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)(修訂版M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.3 馮挹. 30KHz高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)J. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2000, 2(1: 40-41.4 趙修科. 實(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)磁性元器件分冊(cè)M. 2版. 沈陽(yáng): 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.5 RON LENK(美. 實(shí)用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)M. 王正仕, 張軍明, 譯. 北京: 人民郵電出版社, 2006.Application and design of 70KHz DC/DC switching converters primarytransformer based on AP methodWANG Xiao-rong(Sichuan Electric V ocationa