高频链中高频变压器的分析与设计_电源技术论文
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。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，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，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：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=aw×ae，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；
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=npap′＋nsas′ （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/j
as′=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=v1i1＋v2i2，则
awae=(pt)/(kokffsbwj(awae)x
即ap=(pt×10 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η，则在图3（a）中
pt=po＋pi=po＋po/η=po(1+1/η)
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η=0.95，则
若采用e型磁芯，允许温升25℃，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×（1＋10％）≈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np
np=(v1)/(kffsbwae)≈7匝；
2）原边电流ip
ip=(po)/(vdcη)≈10.96a；
3）电流密度jj=kj(awae)x=234.9a/cm2；
4）原边绕组裸线面积axp
axp=ip/j≈0.04666cm2；
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=120.99≈121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=(io×0.707)/j=(po×0.707)/(vo×j)=(250×0.707)/(220×234.9)
=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效面积的减少。