高頻變壓器設計分析論文

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摘要：高頻鏈逆變技術用高頻變壓器代替傳統逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。在高頻鏈的硬件電路設計中，高頻變壓器是重要的一環。敘述了高頻變壓器的設計過程。實驗結果證明該設計滿足要求。

關鍵詞：高頻鏈；高頻變壓器；逆變器

引言

MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術的新概念[1]。高頻鏈逆變技術與常規的逆變技術最大的不同，在于利用高頻變壓器實現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，高頻鏈技術引起人們越來越多的興趣。

1概述

圖1是傳統的逆變器框圖。其缺點是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感，導致效率低，噪音大，可靠性差。另外，諧波含量大，波形畸變嚴重，與要求的優質正弦波相差甚遠。

圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當今研究的最先進方案[2]，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優點，諸如，以小型的高頻變壓器替代工頻變壓器；只有兩級功率變換；正弦波質量高；控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件，肩負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，漏感嚴重，輸出波形畸變大，直接影響電路的穩定性和可靠性，甚至損壞開關器件，導致實驗失敗。

2高頻變壓器的設計

設計高頻變壓器首先應該從磁芯開始。開關電源變壓器磁芯多是在低磁場下使用的軟磁材料，它有較高磁導率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導率高，在一定線圈匝數時，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格比如表1所列。鐵氧體材料是復合氧化物燒結體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比較小，常使用在開關電源中。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

非晶合金

薄硅鋼片

坡莫合金

鐵氧體

鐵損

低

高

中

低

磁導率

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

價格

中

低

中

低

高頻變壓器的設計通常采用兩種方法[3]：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AP值，查表找出所需磁性材料之編號；第二種是先求出幾何參數，查表找出磁芯編號，再進行設計。本文詳細討論如何用AP法設計高頻變壓器。

原邊NP匝，副邊Ns匝的變壓器，在NP匝上以電壓V1開關工作時，根據法拉第定律，有

V1=KffsNPBWAe（1）

式中：Kf為波形系數，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=V1/(KffsBwAe)(2)

鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數Ko（一般取04）為有效面積，該面積為原邊繞組NP占據的窗口面積NPAP′與副邊繞組Ns占據的窗口面積NsAs′之和，即

KoAW=NPAP′＋NsAs′（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，如式（4）所示。

AP′=I1/J

As′=I2/J(4)

將式（4）代入式（3），則得

KoAW=(V1/KffsBwAe)I1/J＋(V2/KffsBwAc)(I2/J)

即AWAe=(V1I1+V2I2)/(KoKffsBwJ)(5)

電流密度J直接影響到溫升，亦影響到AWAe，其關系可用式（6）表示。

J=KJ(AWAe)X(6)

式中：KJ為電流密度系數；X為常數，由所用磁芯確定。

若變壓器的視在功率PT=V1I1＋V2I2，則

AWAe=(PT)/(KoKffsBwJ(AWAe)x

即AP=(PT×104)/(KoKffsBwKJ)(1/1+X)(7)

式中：AP單位為cm4，其余的單位為國際單位制。

視在功率隨線路結構不同而不同。如圖3所示。變壓器效率為η，則在圖3（a）中

PT=Po＋Pi=Po＋Po/η=Po(1+1/η)

在圖3（b）中

在圖3（c）中

本文采用圖3（b）的結構，VDC=24V，Po=250W，設η=0.95，則

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，考慮到高溫時飽和磁密會下降，同時，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

取10％的裕度，即AP=6.65×（1＋10％）≈7.28cm4，查手冊選取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，則其他參數計算如下：

1）原邊繞組匝數NP

NP=(V1)/(KffsBwAe)≈7匝；

2）原邊電流IP

IP=(Po)/(VDCη)≈10.96A；

3）電流密度JJ=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2；

4）原邊繞組裸線面積AXP

AXP=Ip/J≈0.04666cm2；

5)副邊繞組匝數Ns逆變器工作時占空比D=0.75，幅值為根號2220V，則

Ns=(NpV2)/DV1=120.99≈121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，則

AXS=(Io×0.707)/J=(Po×0.707)/(Vo×J)=(250×0.707)/(220×234.9)

=0.00342cm2。

3實驗結果

實驗采用圖3（b）的結構，參數如下：

輸入電壓DC24V；

開關頻率20kHz；

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7匝；

副邊繞組匝數121匝。

該高頻鏈工作穩定可靠，噪聲很小，實驗結果證明該高頻變壓器滿足實際要求。

4結語

1）設計中，在最大輸出功率時，磁芯中的磁感應強度不應達到飽和，以免在大信號時產生失真。

2）在瞬變過程中，高頻鏈漏感和分布電容會引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩，使損耗增加，嚴重時會造成開關管損壞。同時，輸出繞組匝數多，層數多時，應考慮分布電容的影響，降低分布電容有利于抑制高頻信號對負載的干擾。對同一變壓器同時減少分布電容和漏感是困難的，應根據不同的工作要求，保證合適的電容和電感。

3）本文采用的工作頻率為20kHz，由于工作頻率較高，趨膚效應影響比較大，因此，在設計時應注意趨膚效應引起的有效面積的減少。