高频链中高频变压器的分析与设计

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

0    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1    传统的逆变器

    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。

图2    电压源高频链逆变器

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B_s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

    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A_W与磁芯有效截面积Ae的乘积A_P（A_P=A_W×A_e，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A_P法设计高频变压器。

    原边N_P匝，副边N_s匝的变压器，在N_P匝上以电压V₁开关工作时，根据法拉第定律，有

    V₁=K_ff_sN_PB_WA_e（1）

式中：K_f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；

      f_s为工作频率；

      B_W为工作磁通密度。

    N_P=    (2)

    铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数K_o（一般取0.4）为有效面积，该面积为原边绕组N_P占据的窗口面积N_PA_P′与副边绕组N_s占据的窗口面积N_sA_s′之和，即

    K_oA_W=N_PA_P′＋N_sA_s′（3）

式中：A_P′及A_s′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。

    A_P′=

    A_s′=(4)

    将式（4）代入式（3），则得

    K_oA_W=＋

即    A_WA_e=    (5)

    电流密度J直接影响到温升，亦影响到A_WA_e，其关系可用式（6）表示。

    J=K_J(A_WA_e)^X(6)

式中：K_J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P_T=V₁I₁＋V₂I₂，则

    A_WA_e=

即    A_P=    (7)

式中：A_P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

    P_T=P_o＋P_i=P_o＋=P_o

    在图3（b）中

    P_T=P_o

    在图3（c）中

    P_T=P_o本文采用图3（b）的结构，V_DC=24V，P_o=250W，设η=0.95，则

    P_T=P_o≈617W

（a）二次桥式整流

（b）二次全波整流

（c）一次推挽二次半波整流

图3视在功率与线路结构关系

    若采用E型磁芯，允许温升25℃，则有K_J=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B_W=0.117T。工作频率为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，查手册选取E17铁氧体磁芯，其A_W=2.56cm²，A_e=3.80cm²，A_P=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N_P

    N_P=≈7匝；

    2）原边电流I_P

    I_P=≈10.96A；

    3）电流密度J

    J=K_J(A_WA_e)^x=234.9A/cm²；

    4）原边绕组裸线面积A_XP

    A_XP=≈0.04666cm²；

    5)副边绕组匝数N_s    逆变器工作时占空比D=0.75，幅值为220V，则

    Ns==120.99≈121匝

    6）副边绕组裸线面积A_XS    注意中间抽头变压器I_o须乘0.707的校正系数，则

    A_XS==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。