高频变压器的分析与设计..doc

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1、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，

2、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

3、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

4、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=AWAe，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；

5、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=NPAPNsAs （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

6、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=V1I1V2I2，则AWAe=(PT)/(KoKffsBwJ(AWAe)x即AP=(PT10 4)/(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，则在图3（a）中PT=PoPi=PoPo/=Po(1+1/)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=0.95，则若采用E型磁芯，允许温升25

7、，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（110）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)/(VDC)10.96A；3）电流密度JJ=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2；4）

8、原边绕组裸线面积AXPAXP=Ip/J0.04666cm2；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2 220V，则Ns=(NpV2)/DV1=120.99121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=(Io0.707)/J=(Po0.707)/(VoJ)=(2500.707)/(220234.9)=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

9、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

10、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1，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1也会在初级线圈上感应出一个自感电势

11、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1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2，2的方向与1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，1也增加，并且1增加部分正好补充了被2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

12、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

13、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，=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

14、，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

15、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