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高頻變壓器設計原則要求和程序

時間:2015-8-20【打印此頁】 【返回


高頻變壓器是工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器,主要用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器,也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源變壓器的。按工作頻率高低,可分為幾個檔次:10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。傳送功率比較大的,工作頻率比較低;傳送功率比較小的,工作頻率比較高。這樣,既有工作頻率的差別,又有傳送功率的差別,工作頻率不同檔次的電源變壓器設計方法不一樣,也應當是不言而喻的。

如上所述,作者對高頻變壓器的設計原則、要求和程序不存在錯誤概念,而是在2003年7月初,閱讀《電源技術應用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設計文章后,產生了疑慮,感到有些問題值得進一步商討,因此才動筆寫本文。正如《電源技術應用》主編寄語所說的那樣:“具體地分析具體的情況”,寫的目的,是嘗試把最難詳細說明和選擇的磁性元件之一的高頻變壓器的設計問題弄清楚。如有說得不對的地方,敬請幾位作者和廣大讀者指正。

以設計原則為出發點,可以對高頻變壓器提出4項設計要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本。

3.1使用條件

電磁兼容性是指高頻變壓器既不產生對外界的電磁干擾,又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻變壓器產生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料,產生的電磁干擾大。例如,錳鋅軟磁鐵氧體,磁致伸縮系數λS為21×10-6,是取向硅鋼的7倍以上,是高磁導坡莫合金和非晶合金的20倍以上,是微晶納米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產生的電磁干擾大。高頻變壓器產生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此,工作頻率為100kHz左右的高頻變壓器,沒有特殊原因是不會產生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開關電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz~20kHz,一定有其原因。由于沒有畫出噪聲頻譜圖,具體原因說不清楚,但是由高頻電源變壓器本身產生的可能性不大,沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。至于采用這種粘合工藝可將音頻噪聲降低5dB,請給出實例與數據以及對噪聲原因的詳細說明,才會令人可信。

屏蔽是防止電磁干擾,增加高頻變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻變壓器的電磁干擾傳播,在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當采取相應的措施,只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案,因為它只能阻止輻射干擾,不能阻止傳導干擾。

3.2完成功能

高頻變壓器完成功能有3個:功率傳送,電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式,加在原繞組上的電壓,在磁芯中產生磁通變化,使副繞組感應電壓,從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過程中,磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式,磁通密度從最大值Bm變化到剩余磁通密度Br,或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值ΔB=Bm-Br。為了提高ΔB,希望Bm大,Br校雙方向變化工作模式磁通度從+Bm變化到-Bm,或者從-Bm變化到+Bm。磁通密度變化值ΔB=2Bm,為了提高ΔB,希望Bm大,但不要求Br小,不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式,變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導率有關。第二種是電感器功率傳送方式,原繞組輸入的電能,使磁芯激磁,變為磁能儲存起來,然后通過去磁使副繞組感應電壓,變成電能釋放給負載。傳送功率決定于電感磁芯儲能,而儲能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導率有關,磁導率高,電感量大,儲能多,而不直接與磁通密度有關。雖然功率傳送方式不同,要求的磁芯參數不一樣,但是在高頻變壓器設計中,磁芯的材料和參數的選擇仍然是設計的一個主要內容。在電源變壓器“設計要點”一文中,很遺憾缺少這一個主要內容。只是在“交流損耗”一條中,提出BAC典型值為0.04~0.075T。顯然,文中的高頻變壓器是采用電感功率傳送方式,為什么不提磁導率,而提BAC弄不清楚。經查閱,在《電源技術應用》2003年1/2期,同一主要作者寫的開關電源“設計要點”一文中,列出了“磁芯的選擇”,也沒有提磁導率,只是提出最大磁通密度Bm為0.275T。由于沒有畫磁通密度變化波形,弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致:為什么BAC和Bm相差6.8~3.7倍?更不清楚,選的是哪一種軟磁鐵氧體材料?為什么選這種型號?兩文中都沒有一點說明,只好讓讀者自己去猜想了。


電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數比來完成。不管功率傳送是哪一種方式,原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數比,只要不改變匝數比,就不影響電壓變換。但是,繞組匝數與高頻電源變壓器的漏感有關。漏感大小與原繞組匝數的平方成正比。有趣的是,漏感能不能規定一個數值?《電源技術應用》2003年第6期同時刊登的兩篇文章有著不同的說法?!霸O計要點”一文中說:“對于一符合絕緣及安全標準的高頻變壓器,其漏感量應為次級開路時初級電感量的1%~3%”?!氨嫖觥币晃闹姓f:“在很多技術單上,標注著漏感=1%的磁化電感或漏感 

 



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