30kHz高頻開關電源變壓器的設計

在傳統(tǒng)的高頻變壓器設計中，由于磁心材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化，高頻化和高功率比已成為一個永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積，提高電源輸出功率比的關鍵因素。本文根據(jù)超微晶合金的優(yōu)異電磁性能，通過示例介紹30kHz超微晶高頻開關電源變壓器的設計。

1、變壓器的性能指標

電路形式：半橋式開關電源變換器原理見圖1：

工作頻率f：30kHz

變換器輸入電壓Ui:DC300V

變換器輸出電壓U0:DC2100V

變換器輸出電流Io:0.08A

整流電路：橋式整流

占空比D：1％～90％

輸出效率η:≥80％

耐壓：DC12kV

溫升：＋50℃

工作環(huán)境條件:－55℃～＋85℃

2、變壓器磁心的選擇與工作點確定

從變壓器的性能指標要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼、鐵氧體材料已很難滿足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設計要求。磁心的材料只有從坡莫合金、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金三種材料中來考慮，但坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價格高，約為超微晶合金的數(shù)倍，而飽和磁感應強度Bs卻為超微晶合金2/3左右，且加工工藝復雜。因此，綜合三種材料的性能比較（表1），選擇飽和磁感應強度Bs高，溫度穩(wěn)定性好，價格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術指標的實現(xiàn)。

表1（1）鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金的主要磁性能比較

磁心工作點的選擇往往從磁心的材料，變壓器的工作狀態(tài)，工作頻率，輸出功率，絕緣耐壓等因素來考慮。超微晶合金的飽和磁感應強度Bs較高約為1.2T，在雙極性開關電源變壓器的設計中，磁心的最大工作磁感應強度Bm一般可取到0.6～0.7T，經(jīng)特別處理的磁心，Bm可達到0.9T。在本設計中，由于工作頻率、絕緣耐壓、使用環(huán)境的原因，把最大工作磁感應強度Bm定在0.6T，而磁心結(jié)構(gòu)則定為不切口的矩形磁心。這種結(jié)構(gòu)的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠、但電磁兼容性較差。

3、變壓器主要參數(shù)的計算

3.1變壓器的計算功率

半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時，其開關電源變壓器的計算功率為：

Pt=UoIo(1＋1/η)(1)

將Uo=2100V,Io=0.08A,η=80％代入式（1），可得Pt=378W。

3.2變壓器的設計輸出能力

變壓器的設計輸出能力為：

Ap=(Pt•104/4BmfKWKJ)1.16（2）

式中：工作頻率f為30kHz，工作磁感應強度Bm取0.6T，磁心的窗口占空系數(shù)KW取0.2，矩形磁心的電流密度（溫升為50℃時）KJ取468。經(jīng)計算，變壓器的設計輸出能力AP=0.511cm4。