高频变压器设计

1.磁芯材质的选取：高频变压器磁芯多是低磁场下使用的软磁材料，有着较高磁导率、低的矫磁顽力和高的电阻率。一般来说，磁芯材料磁导率高，在一定的线圈匝数时，通过不大的励磁电流就能有较高的磁感应强度，线圈就能承受较高的外加电压，因此输出一定功率要求下，可减小磁芯体积。磁芯矫磁顽力低，磁滞回环面积小，则铁损也小。高的电阻率则使得涡流小，铁损小。（=1109）目前，高频开关电源变压器所用的磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。根据使用情况铁氧体不适合高温工作，暂时选用非晶态合金的磁芯。通过下面表格可以发现硅钢的饱和磁感应强度最大，可以达到2T，但由于最大导磁率太小且矫顽力太大不能满足要求一般都不选用它做高频变压器。通过下面表格可以发现铁基非晶铁芯饱和磁感应强度也很大，可以达到1.5T以上。但由于我们选用的开关频率为20KHZ，现在一般铁基非晶铁芯无法达到这个工作频率，故不采用。通过下面表格可以发现铁基纳米晶和坡莫合金饱和磁感应强度也较大，可以达到1.2T以上。但由于坡莫合金磁芯矫磁顽力高，故一般厂家选用铁基纳米晶作为高频变压器磁芯。本设计中同样采用铁基纳米晶作为高频变压器磁芯。以下是安泰公司用于做磁芯的纳米基铁芯的具体参数：2.变压器设计：高频变压器的设计通常采用两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积Am与磁芯有效截面积Ac的乘积AP（AP=Ac×Am，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。注意：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。（=1109）。变压器功率计算：（参考张占松开关电源原理与设计、开关电源实用技术设计与应用）PO=VOIO=10KW对应如下不同连线图，有不同的视在功率的计算公式。实际我们采用的是线路（a）故有：PT=VIII+VOIO=PO+PO/η=10000+10000/0.95=20526W（95%以上）设计输出能力确定：磁芯材料确定以后，磁芯面积的乘积反映了变压器的输出功率的能力。其磁芯面积为：AP=Ac×Am有如下示意图：AP=(Pt∗1044BmfKwKj)1.16（指数也有用1/1+X的）式中：Pt为变压器计算功率，（可由上面计算获取为20526W）Bm为工作磁感应强度，（根据实际情况取为0.4T）逆变器启动时,高频变压器要经过一个过渡过程才能进入稳态,过渡过程第一个周期磁通密度的幅值将随启动瞬间的相位以及剩余磁通密度的方向不同而异,其最大值将是2倍工作磁通密度与剩余磁通密度之和,即2Bm+Br,其中Bw为工作磁通密度.显然,若工作磁通密度选择不当,高频变压器启动瞬间会发生饱和.由于高频变压器和高压功率开关管直接相连并施加较高的电压,高频变压器的饱和,即使是极短的几个周期,也会导致高压功率开关管的损坏,这是绝对予以避免的.通过选择较低的工作磁通密度———工作磁通密度小于饱和磁通密度的1/3,亦即在剩余磁通密度和饱和磁通密度之间能容纳两倍工作磁通密度,则高频变压器在启动时不会发生饱和。（=bbs_topic_show&cate_id=13&id=304023）f为工作频率，（20kHZ）Kw为窗口占空系数，窗口占空系数指变压器窗口中铜线实际占有的面积量，典型值为0.4，但我们设计的变压器功率很高故取为0.2，Kj为电流密度系数，（根据选择的磁芯以及温升由磁芯的结构常数表获取）=(Pt∗1044BmfKwKj)1.16=(2052600004∗0.4∗0.2∗20000∗569)1.16=107.44cm4根据安泰官网上关于纳米晶铁芯的具体型号的数据选取：编号方法：ONL－ODIDHT，其中O－环形铁芯，N－纳米晶，L－低剩磁，OD－外径，ID－内径，HT－高度。例如：NAC－ONL-1206030(简写为ONL－1206030)表示低剩磁的铁基纳米晶环形铁芯，外径、内径和高度分别为120、60、30mm。表中符号说明：S－铁芯有效截面积,L－铁芯磁路长度,M－铁芯质量,P－20KHz下的适用功率。而且参数中P直接表示了20KHZ时该磁芯满足的10KW功率，以及Ap法算出的磁芯截面积乘积，以下型号最能满足要求其Ap=168.6cm4107.44cm4其Ap=134.7cm4107.44cm4但其功率不满足要求。线圈计算：N1=Ui∗104BmfKfAc=51000000.4∗20000∗4∗4.38=36.4匝取为整数36匝N2=UoN1Ui=710510∗36=50.1匝取为整数50匝导线线径J=KjApX=569∗168.6−0.14=277.6A/cm2Ap可以根据前面计算后选取的磁芯获取，Kj、X可以根据磁芯结构常数获取。原边绕组：Ii=POUiη=10000510∗0.95=20.64ASm1=IiJ=20.64277.6=7.44mm2当导线中通过交流时，因导线的内部和边缘所铰链的磁通（中间有抽头电路时一般要剩0.707的矫正数据）量不同，致使导线表面的电流产生不均匀分布，相当于导线有效截面减少，这种现象称趋肤效应。开关电源变压器的工作频率一般在20KHz左右，随着元器件的改善，工作频率的提高，趋肤效应的影响越大。因此，在设计绕组选择电流密度和线径时必须考虑趋肤效应引起的有效截面的减少。导线通有高频交变电流时，有效截面的减少可以用穿透深度来表示。穿透深度的意义是：由于趋肤效应，交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度。简化公式：66.1（25度时100度时选用76）除以频率的根号，（频率单位：KHz）在选择导线线径时，应遵循导线直径小于两倍穿透深度的原则。当导线要求的线径大于由穿透深度决定的最大有效直径时，应采用小直径的导线或用多股线并绕。大电流最好能采用宽而薄的铜带，铜带厚度应小于穿透深度的两倍。时候的穿透深度为：76√20000=0.5374mm参考《高频变压器工艺知识》：=6090故可以选取线径D=1mm，截面积为0.7854mm2的圆铜线10根并绕便能够满足要求（分组原因）。次级绕组：Sm2=IoJ=10000710∗277.6=5.074mm2故可以选取线径D=，截面积为的圆铜线避免瞬态饱和：一般工频电源变压器的工作磁通密度设计在B－H曲线接近拐点处，因而在通电瞬间由于变压器磁心的严重饱和而产生极大的浪涌电流。它衰减得很快，持续时间一般只有几个周期。对于脉冲变压器而言如果工作磁通密度选择较大，在通电瞬间就会发生磁饱和。由于脉冲变压器和功率开关管直接相连并加有较高的电压，脉冲变压器的饱和，即使是很短的几个周期，也会导致功率开关管的损坏，这是不允许的。所以一般在控制电路中都有软启动电路来解决这个问题。=5另外前面Bm的选取也能防止饱和。有人指出在换相时可能会有尖峰电流，可能导致饱和可加上尖峰抑制器就是RH磁珠,NiZn材质。漏感任何变压器都存在漏感，但开关变压器的漏感对开关电源性能指标的影响特别重要。由于开关变压器漏感的存在，当控制开关断开的瞬间会产生反电动势，容易把开关器件过压击穿；漏感还可以与电路中的分布电容以及变压器线圈的分布电容组成振荡回路，使电路产生振荡并向外辐射电磁能量，造成电磁干扰。因此，分析漏感产生的原理和减少漏感的产生也是开关变压器设计的重要内容之一。纳米晶高频变压器的漏感小,一般水平小于5μH,最好的小于2μH按输入阻抗的允许变化确定初级总漏感LS由上图可以获得δ值，由于有下式：LS=R′δ2πf