高频链技术的发展与应用

高频链技术的发展与应用

无线电压是电源系统中不可替代的主要功能是电气隔离。电压通过不同的变相比增加或减少。大电流滤波的多个分支的位移不同，其适用性大大削弱。磁耦合传输能量。测量电压和电流。在传统的高频变压器设计中,由于磁心材料的限制,其工作频率较低,一般在20kHz左右。随着电源技术的不断发展,电源系统的小型化,高频化和高功率比已成为发展的趋势和研究的方向。因此,研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积,提高电源输出功率比的关键因素。近年来,高频链技术引起人们越来越多的兴趣。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代替传统逆变器中笨重的工频变压器,不仅实现了输入与输出的电气隔离,而且大大减小了变压器的体积和重量。作为开关电源最主要的组成部分,高频变压器相对于传统的工频变压器有以下优点:利用铁氧体材料制成的高频变压器具有转换效率高、体积小巧的特点;而传统的工频变压器工作在50Hz下,输出相同功率时需要较大的截面积而导致变压器体积庞大,不利于电源的小型化设计,而且电源转换效率也低于开关电源。在高频链的硬件电路设计中,高频变压器是重要的一环。本文首先分析了设计高频变压器要考虑的问题,然后根据高频变压器的设计要求,利用面积乘积法也叫AP法设计了一款1KW逆变电源用高频变压器,并通过实验验证设计达到了预期的效果。1考虑到高频传感器的设计1.1磁滞损耗构成磁芯损耗取决于磁感应增量、频率和温度。若不考虑温度影响,软磁铁氧体铁芯总损耗通常由三部分构成:磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr。每种损耗产生的频率范围是不同的,铁芯总损耗为:其中KP为铁芯损耗系数,不考虑温度时为常数,V为铁心体积,f为工作频率,B为磁感应强度,m、n分别是工作频率和磁感应的指数,它们与铁芯的材料有关,具体数值可以通过查表得到。1.2变压器内偏磁的产生机理由于谐波的存在,绕组损耗也是变压器损耗的重要组成部分,对变压器来说谐波畸变率越大,损耗也将会越大。在谐波影响下,变压器的绕组损耗将随着谐波电流的增大而增大。由于非全相整流负荷的原因,变压器中会存在直流分量,它会使变压器产生偏磁。因此,如果考虑直流分量的影响,绕组损耗的计算公式为:式中:PCu为绕组损耗,h为谐波次数,Rh(1)为第h次谐波下原边绕组的电阻,Rh(2)为第h次谐波下副边绕组的电阻,Ih(1)为流过原边绕组的谐波电流的有效值,Ih(2)为流过副边绕组的谐波电流的有效值。1.3rth———温升p———低负荷时rth———低负荷时分时线高频变压器的温升对系统的工作状态和输出功率会有影响,而温升与能量损耗一般成正比关系,即:其中Rth———比例常数,即热阻■T———温升P———损耗功率由上式(3)可知,为了降低温升,必须减少能量的损耗。而能量的损耗又直接与铁芯损耗和绕组损耗有关,因此在设计中必须考虑降低它们的损耗量。1.4频率对铁芯损耗的影响高频变压器与50Hz的工频变压器相比,频率提高了几百倍,绕组匝数大大减少,铜耗及调整率减小,但铁芯中的损耗将随频率的提高大大增加。一般开关电源中使用的铁芯有如下要求:(1)尽可能高的磁感应强度(但注意在最大输出功率时,不能达到饱和,以免产生失真);(2)尽可能高的导磁率;(3)要求磁损较小;(4)要求线包加工及装配容易;(5)磁特性随温度变化要小,即要求较稳定的温度系数。2交流电压的设计根据下面图1所示的1000W逆变主电路原理图,按照电路对变压器的要求进行设计,具体要求为:开关频率100KHZ,输入交流电压24±20%V,输出交流电压400V,输出平均电流2.5A,占空比40%,效率95%,纹波电压200mV。具体设计步骤如下:2.1高频变压器磁芯设计及控制策略首先应考虑减小初级边开关管的电流和降低输出整流二极管的方向电压,从而减小损耗和降低设计成本。因此,高频变压器初次级匝数比应尽可能大一些。若选择最大占空比为Dmax=0.6,则可计算变压器次级电压最小值为:式中Vo———为变换器输出电压VD———为输出整流二极管的门限电压Vf———为输出滤波电感的直流电压为了保证在输入任意电压时能够输出所要求的电压,变压器的匝数比应按最低输入电压Vinmin进行计算。即,此时变压器初次级匝数比为:根据设计要求将数据代入(5)式得n=0.027。高频变压器的磁芯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,查表找出所需磁芯材料之编号;第二种是先求出几何参数,查表找出磁芯编号,再进行设计。本文采用第一种方法,即根据输出Vo=400V,Io=2.5A的要求,以及考虑到温升问题高频变压器功率预留6%的裕度(含磁芯和绕组的损耗),则设计输出功率为Po=1.06*400*2.5=1060W。由于变压器用于全桥变换电路当中,由式(6)中J=400A/cm2,K=0.4,η=0.8,δ=0.8,f=100KHz,Bm=0.2T。可求出AP=3.703cm4。查阅设计手册,型号EI50符合设计要求,再根据型号查找对应的有效截面积Ae=2.3cm2。2.2选择二级绕组的第一次旋转噪声pm和次级绕组的ws模式。已知输出噪声输入信号的开关频率为f.100hzt.10us，输出交流电压为24.20%，电压下限约为18v。28v，即vinov。运行2ma。0.6进行计算取初级绕组匝数Wp=3。由于Vo输出电压为400V,根据式(5)计算结果,取n=0.027可得取次级绕组匝数Ws=112。2.3级线圈的个数n根据工程实际情况和绕组损耗,取J=4A/mm2,导线直径Ф=0.6mm,由设计要求知Iimax=61A,Iomax=3A。由公式:代入数据可求出初级线圈的股数NP=54。代入数据求出次级线圈的股数NS=3。同时为了减少变压器的漏感可采用夹层式绕法(把次级绕组绕在初级绕组的中间,初级分两次绕,这种绕法只在初级绕组中多一个接头,工艺简单)进行变压器绕制。2.4窗口充填系数k在计算出变压器匝数、导线线径及股数后,必须核算磁芯窗口面积是否能够绕得下或窗口过大,可通过窗口充填系数Kω来衡量,一般Kω取值在0.25~0.5之间(如果过大,窗口里可能绕不下,则需重新设计)。窗口充填系数Kω定义为:线圈铜占有的总面积与磁芯窗口面积之比本设计通过上式(11)计算出Kω为0.45,在正常范围内,符合设计要求。3变压器的设计注意事项本文通过对变压器的损耗进行分析,设计了一款应用于1000W逆变器的高频变压器。通过实验证明设计达到了预期效果,实验结果如图2、图3所示(纵坐标单位是V,横坐标单位为毫秒)。变压器的设计参数相互依存、相互制约,因此在设计中要进行合理的折衷,根据应用场合,首先满足一些处于支配地位的制约因素,然后对其它参数进行权衡折衷。由于这些参数的相互依存和制约性,要在一个设计中做到所有参数最佳是不可能的,如变压器的体积最小和效率最高往往无法同时达到,漏感和分布电容无法同时减小等。在变压器设计过程中要注意以下几点:(1)首先要确定变压器应用的电路结构,再采用正确的计算方法选择最优磁芯。(2)在通过窗口充填系数核算磁芯窗口面积时,如果窗口的利用率过大或过小都必须重新选择磁芯,重新开始设计。(3)由于磁芯的磁通量越大磁芯体积越小,在设计过程中可先根据窗口面积选择最小的铁芯体积,再根据工作频率选择合适的磁芯频率和磁通量。因此,为了降低损耗要综合上述两个方面的因素来合理地选择磁芯。(4)为了减少绕组的损耗,可从如下三个方面综合考虑:第一,要减少电路中的谐波分量;第二,绕组导线要细化;第三,选择合适的绕线方式。(5)设计中要根据损耗的