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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
引言
MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念[1]。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?cè)絹碓蕉嗟呐d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)。
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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[2]，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(jí)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。
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(chǎng)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Bs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
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(dǎo)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(jià)格
中
低
中
低
高頻變壓器的設(shè)計(jì)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(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AP法設(shè)計(jì)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(guān)工作時(shí)，根據(jù)法拉第定律，有
V1=KffsNPBWAe （1）
式中：Kf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；
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(shù)Ko（一般取0?4）為有效面積，該面積為原邊繞組NP占據(jù)的窗口面積NPAP′與副邊繞組Ns占據(jù)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(guān)，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(guān)系可用式（6）表示。
J=KJ(AWAe)X (6)
式中：KJ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PT=V1I1＋V2I2，則
AWAe=(PT)/(KoKffsBwJ(AWAe)x
即AP=(PT×10 4)/(KoKffsBwKJ)(1/1+X) (7)
式中：AP單位為cm4，其余的單位為國(guó)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
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(jié)構(gòu)，VDC=24V，Po=250W，設(shè)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(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(cè)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(shù)計(jì)算如下：
1）原邊繞組匝數(shù)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(shù)Ns逆變器工作時(shí)占空比D=0.75，幅值為根號(hào)2 220V，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(shù)，則
AXS=(Io×0.707)/J=(Po×0.707)/(Vo×J)=(250×0.707)/(220×234.9)
=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(duì)負(fù)載的干擾。對(duì)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。
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