高頻鏈中高頻變壓器的分析與設(shè)計(jì)

摘要：高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(shè)計(jì)中，高頻變壓器是重要的一環(huán)。敘述了高頻變壓器的設(shè)計(jì)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該設(shè)計(jì)滿足要求。

關(guān)鍵詞：高頻鏈；高頻變壓器；逆變器

0    引言

    MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念。高頻鏈逆變技術(shù)與常規(guī)的逆變技術(shù)最大的不同，在于利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)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(shù)引起人們越來越多的興趣。

1    概述

    圖1是傳統(tǒng)的逆變器框圖。其缺點(diǎn)是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感，導(dǎo)致效率低，噪音大，可靠性差。另外，諧波含量大，波形畸變嚴(yán)重，與要求的優(yōu)質(zhì)正弦波相差甚遠(yuǎn)。

圖1    傳統(tǒng)的逆變器

    圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當(dāng)今研究的最先進(jìn)方案，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)量高；控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件，肩負(fù)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(yán)重，輸出波形畸變大，直接影響電路的穩(wěn)定性和可靠性，甚至損壞開關(guān)器件，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

圖2    電壓源高頻鏈逆變器

2    高頻變壓器的設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)高頻變壓器首先應(yīng)該從磁芯開始。開關(guān)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(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，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(jià)格比如表1所列。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但B_s值比較小，常使用在開關(guān)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

    高頻變壓器的設(shè)計(jì)通常采用兩種方法：第一種是先求出磁芯窗口面積A_W與磁芯有效截面積Ae的乘積A_P（A_P=A_W×A_e，稱磁芯面積乘積），根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號(hào)；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)討論如何用A_P法設(shè)計(jì)高頻變壓器。

    原邊N_P匝，副邊N_s匝的變壓器，在N_P匝上以電壓V₁開關(guān)工作時(shí)，根據(jù)法拉第定律，有

    V₁=K_ff_sN_PB_WA_e（1）

式中：K_f為波形系數(shù)，即有效值和平均值之比，正弦波為4.44，方波為4；

      f_s為工作頻率；

      B_W為工作磁通密度。

    N_P=    (2)

    鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數(shù)K_o（一般取0.4）為有效面積，該面積為原邊繞組N_P占據(jù)的窗口面積N_PA_P′與副邊繞組N_s占據(jù)的窗口面積N_sA_s′之和，即

    K_oA_W=N_PA_P′＋N_sA_s′（3）

式中：A_P′及A_s′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(guān)，如式（4）所示。

    A_P′=

    A_s′=(4)

    將式（4）代入式（3），則得

    K_oA_W=＋

即    A_WA_e=    (5)

    電流密度J直接影響到溫升，亦影響到A_WA_e，其關(guān)系可用式（6）表示。

    J=K_J(A_WA_e)^X(6)

式中：K_J為電流密度系數(shù)；X為常數(shù)，由所用磁芯確定。

    若變壓器的視在功率P_T=V₁I₁＋V₂I₂，則

    A_WA_e=

即    A_P=    (7)

式中：A_P單位為cm⁴，其余的單位為國際單位制。

    視在功率隨線路結(jié)構(gòu)不同而不同。如圖3所示。變壓器效率為η，則在圖3（a）中

    P_T=P_o＋P_i=P_o＋=P_o

    在圖3（b）中

    P_T=P_o

    在圖3（c）中

    P_T=P_o本文采用圖3（b）的結(jié)構(gòu)，V_DC=24V，P_o=250W，設(shè)η=0.95，則

    P_T=P_o≈617W

（a）二次橋式整流

（b）二次全波整流

（c）一次推挽二次半波整流

圖3視在功率與線路結(jié)構(gòu)關(guān)系

    若采用E型磁芯，允許溫升25℃，則有K_J=323，X=－0.14。飽和磁密約為0.35T，考慮到高溫時(shí)飽和磁密會(huì)下降，同時(shí)，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B_W=0.117T。工作頻率為20kHz，由式（7）可得

    A_P=≈6.65（cm⁴）

    取10％的裕度，即A_P=6.65×（1＋10％）≈7.28cm⁴，查手冊選取E17鐵氧體磁芯，其A_W=2.56cm²，A_e=3.80cm²，A_P=9.73cm⁴，滿足要求。

    確定磁芯材料后，則其他參數(shù)計(jì)算如下：

    1）原邊繞組匝數(shù)N_P

    N_P=≈7匝；

    2）原邊電流I_P

    I_P=≈10.96A；

    3）電流密度J

    J=K_J(A_WA_e)^x=234.9A/cm²；

    4）原邊繞組裸線面積A_XP

    A_XP=≈0.04666cm²；

    5)副邊繞組匝數(shù)N_s    逆變器工作時(shí)占空比D=0.75，幅值為220V，則

    Ns==120.99≈121匝

    6）副邊繞組裸線面積A_XS    注意中間抽頭變壓器I_o須乘0.707的校正系數(shù)，則

    A_XS==0.00342cm²。

3    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    實(shí)驗(yàn)采用圖3（b）的結(jié)構(gòu)，參數(shù)如下：

    輸入電壓    DC24V；

    開關(guān)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(shù)    7匝；

    副邊繞組匝數(shù)    121匝。

    該高頻鏈工作穩(wěn)定可靠，噪聲很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該高頻變壓器滿足實(shí)際要求。

4    結(jié)語

    1）設(shè)計(jì)中，在最大輸出功率時(shí)，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生失真。

    2）在瞬變過程中，高頻鏈漏感和分布電容會(huì)引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩，使損耗增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成開關(guān)管損壞。同時(shí)，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時(shí)，應(yīng)考慮分布電容的影響，降低分布電容有利于抑制高頻信號(hào)對負(fù)載的干擾。對同一變壓器同時(shí)減少分布電容和漏感是困難的，應(yīng)根據(jù)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(yīng)影響比較大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意趨膚效應(yīng)引起的有效面積的減少。