30kHz高頻開關電源變壓器的設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上30kHz高頻開關電源變壓器的設計   在傳統(tǒng)的高頻變壓器設計中，由于磁心材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化，高頻化和高功率比已成為一個永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積，提高電源輸出功率比的關鍵因素。本文根據(jù)超微晶合金的優(yōu)異電磁性能，通過示例介紹30kHz超微晶高頻開關電源變壓器的設計。1變壓器的性能指標      工作頻率f：30kHz變換器輸入電壓Ui:DC300V變換器輸出

2、電壓U0:DC2100V變換器輸出電流I0.08A整流電路：橋式整流占空比D：190輸出效率:80耐壓：DC12kV溫升：50工作環(huán)境條件:55852變壓器磁心的選擇與工作點確定從變壓器的性能指標要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼、鐵氧體材料已很難滿足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設計要求。磁心的材料只有從坡莫合金、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金三種材料中來考慮，但坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價格高，約為超微晶合金的數(shù)倍，而飽和磁感應強度Bs卻為超微晶合金2/3左右，且加工工藝復雜。因此，綜合三種材料的性能比較（表1），選擇飽和磁感應強度Bs高，溫度穩(wěn)定性好，價格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術指標的實現(xiàn)。

3、圖1（1）鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金的主要磁性能比較材料飽和磁感應強度/T矯頑力/A·m1居里溫度/比損耗20kHz0.5T/W·kg1工作頻率/kHz工作溫度/超微晶合金1.20.481.225150150鈷基非晶態(tài)0.81.234020100120坡莫合金0.71.994803050200磁心工作點的選擇往往從磁心的材料，變壓器的工作狀態(tài)，工作頻率，輸出功率，絕緣耐壓等因素來考慮。超微晶合金的飽和磁感應強度Bs較高約為1.2T，在雙極性開關電源變壓器的設計中，磁心的最大工作磁感應強度Bm一般可取到0.60.7T，經(jīng)特別處理的磁心，Bm可達到0.9T。在本設計中，由于工作

4、頻率、絕緣耐壓、使用環(huán)境的原因，把最大工作磁感應強度Bm定在0.6T，而磁心結構則定為不切口的矩形磁心。這種結構的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠、但電磁兼容性較差。3變壓器主要參數(shù)的計算3.1變壓器的計算功率半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時，其開關電源變壓器的計算功率為：Pt=UoIo(11/)(1)將Uo=2100V,Io=0.08A,=80代入式（1），可得Pt=378W。3.2變壓器的設計輸出能力變壓器的設計輸出能力為：Ap=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16（2）式中：工作頻率f為30kHz，工作磁感應強

5、度Bm取0.6T，磁心的窗口占空系數(shù)KW取0.2，矩形磁心的電流密度（溫升為50時）KJ取468。經(jīng)計算，變壓器的設計輸出能力AP=0.511cm4。   變壓器的輸出能力即磁心的輸出能力，它取決于磁心面積的乘積（AP），其值等于磁心有效截面積（AC）和它的窗口截面積（Am）的乘積，即：AP=ACAm(3)   在變壓器的設計中，變壓器的輸出能力必須大于它的設計輸出能力。在設計中，我們選用的矩形磁心的尺寸為：10×10×39×13.4（即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），實際

6、AP達3.66cm4(其中磁心截面積的占空系數(shù)KC取0.7)，大于變壓器的設計輸出能力0.511cm4，因此，該磁心能夠滿足設計使用要求。3.4繞組計算初級匝數(shù)：D取50，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67s,忽略開關管壓降，Up1=Ui/2=150V。N1=Up1Ton102/2BmAc=(150×16.67)102/(2×0.6×1×1×0.7)=29.77匝取N1=30匝次級匝數(shù)：忽略整流管壓降，Up2=Uo=2100V。N2=Up2N1/Up1=(30×2100)/150=420匝3.5導線線徑Ip

7、1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A電流密度：J=KjAp0.14102=468×0.5110.14×102=5.14A/mm2考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2（1）初級繞組：計算導線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2初級繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。(2)次級繞組：計算導線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。次級繞組的線徑可選d=0.16mm的圓銅線，其截面積為0.02mm2。為了方便線圈繞制也可選用線徑較粗的導線。4線圈繞制與絕緣為減小分布參數(shù)的影響，初級采用雙腿并繞連接的結構，次級采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性，繞制后的線圈厚度約為4.5mm。小于磁心窗口寬度13.4mm的一半。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力。變壓器絕緣則采用整體灌注的方法來保證變壓器的絕緣使用要求。5結束語該超微晶開關電源變壓器，環(huán)氧灌注絕緣后通過了產(chǎn)品的電性能檢測和機載條件的環(huán)境試驗，已用于機載設備，變壓器的溫升<35，工作效率達到90以上，且波形質量優(yōu)異，電性能參數(shù)