高頻鏈中高頻變壓器的分析與設計

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

0??? 引言

??? MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術的新概念。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1??? 傳統的逆變器

??? 圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當今研究的最先進方案，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。

圖2??? 電壓源高頻鏈逆變器

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B_s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

??? 高頻變壓器的設計通常采用兩種方法：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A_P法設計高頻變壓器。

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

??? V₁=K_ff_sN_PB_WA_e（1）

式中：K_f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；

????? 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K_o（一般取0.4）為有效面積，該面積為原邊繞組N_P占據的窗口面積N_PA_P′與副邊繞組N_s占據的窗口面積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，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；X為常數，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。

??? 視在功率隨線路結構不同而不同。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）的結構，V_DC=24V，P_o=250W，設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視在功率與線路結構關系

??? 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，則其他參數計算如下：

??? 1）原邊繞組匝數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N_s??? 逆變器工作時占空比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，則

??? A_XS==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。