高频变压器的分析与设计.

高频链中高频变压器的分析与设计文章作者：四川成都西南交通大学龙海峰郭世明江苏南京国电南京自动化股份有限公司呙道静文章类型：设计应用文章加入时间：2004年9月6日14:54文章出处：电源技术应用摘要：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；逆变器引言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。1概述图1是传统的逆变器框图。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。图2所示为电压源高频链逆变器的框图，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低高中低磁导率高低高中饱和磁密高高中低温度影响中小小中加工难易易易价格中低中低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04）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/JAs′=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×104)/(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。如图3所示。变压器效率为η，则在图3（a）中PT=Po＋Pi=Po＋Po/η=Po(1+1/η)在图3（b）中在图3（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NPNP=(V1)/(KffsBwAe)≈7匝；2）原边电流IPIP=(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AXPAXP=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2220V，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实验结果实验采用图3（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。变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈,因此产生漏磁的电感称为漏感。变压器的基本知识变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。一、变压器的基本原理图1是变压器的原理简体图，当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。二、变压器的损耗当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为“涡流”。这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”。另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述，η=输出功率/输入功率。三、变压器的材料要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识，为此这里我就介绍一下这方面的知识。1、铁心材料：变压器使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，的钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000，2、绕制变压器通常用的材料有漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。3、绝缘材料在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离，绕阻间可用黄腊布作隔离。4、浸渍材料：变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料。电工学名词解释要学好电工技术必须要对在电工学上的一些物理量的概念有所理解，为此本人将一些常用的电工学名词汇总并作注解：1、电阻率---又叫电阻系数或叫比电阻。是衡量物质导电性能好坏的一个物理量，以字母ρ表示，单位为欧姆*毫米平方/米。在数值上等于用那种物质做的长1米截面积为1平方毫米的导线，在温度20C时的电阻值，电阻率越大，导电性能越低。则物质的电阻率随温度而变化的物理量，其数值等于温度每升高1C时，电阻率的增加与原来的电阻电阻率的比值，通常以字母α表示，单位为1/C。2、电阻的温度系数----表示物质的电阻率随温度而变化的物理量，其数值等于温度每升高1C时，电阻率的增加量与原来的电阻率的比值，通常以字母α表示，单位为1/C。3、电导----物体传导电流的本领叫做电导。在直流电路里，电导的数值就是电阻值的倒数，以字母ɡ表示，单位为欧姆。4、电导率----又叫电导系数，也是衡量物质导电性能好坏的一个物理量。大小在数值上是电阻率的倒数，以字母γ表示，单位为米/欧姆*毫米平方。5、电动势----电路中因其他形式的能量转换为电能所引起的电位差，叫做电动势或者简称电势。用字母E表示，单位为伏特。6、自感----当闭合回路中的电流发生变化时，则由这电流所产生的穿过回路本身磁通也发生变化，因此在回路中也将感应电动势，这现象称为自感现象，这种感应电动势叫自感电动势。7、互感----如果有两只线圈互相*近，则其中第一只线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二只线圈相环链。当第一线圈中电流发生变化时，则其与第二只线圈环链的磁通也发生变化，在第二只线圈中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象。8、电感----自感与互感的统称。9、感抗----交流电流过具有电感的电路时，电感有阻碍交流电流过的作用，这种作用叫做感抗，以Lx表示，Lx=2πfL.10、容抗----交流电流过具有电容的电路时，电容有阻碍交流电流过的作用，这种作用叫做容抗，以Cx表示，Cx=1/12πfc。11、脉