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(guò)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(lái)，高頻鏈技術(shù)引起人們?cè)絹?lái)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(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。

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(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(guò)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(guò)該匝的電流值I和電流密度J有關(guān)，如式（4）所示。