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30kHz高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方案
點(diǎn)擊次數(shù)：505 發(fā)布時(shí)間：2011-12-8
在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計(jì)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(shù)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(gè)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(guān)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(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)。
1、變壓器的性能指標(biāo)
電路形式：半橋式開關(guān)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(diǎn)確定
從變壓器的性能指標(biāo)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(shè)計(jì)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(jià)格高，約為超微晶合金的數(shù)倍，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs卻為超微晶合金2/3左右，且加工工藝復(fù)雜。因此，綜合三種材料的性能比較（表1），選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高，溫度穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術(shù)指標(biāo)的實(shí)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(diǎn)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(yīng)強(qiáng)度Bs較高約為1.2T，在雙極性開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)中，磁心的zui大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm一般可取到0.6～0.7T，經(jīng)特別處理的磁心，Bm可達(dá)到0.9T。在本設(shè)計(jì)中，由于工作頻率、絕緣耐壓、使用環(huán)境的原因，把zui大工作磁感應(yīng)強(qiáng)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(jì)算
3.1變壓器的計(jì)算功率
半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時(shí)，其開關(guān)電源變壓器的計(jì)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(shè)計(jì)輸出能力
變壓器的設(shè)計(jì)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(yīng)強(qiáng)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(shí)）KJ取468。經(jīng)計(jì)算，變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力AP=0.511cm4。
3.3變壓器的實(shí)際輸出能力
鐵基超微晶鐵心及超微晶軟磁合金通過省級技術(shù)鑒定
1999年10月24日，由江西省科委等機(jī)關(guān)委托主持的對江西大有科技有限公司研制的新產(chǎn)品DY-ON型鐵基超微晶磁鐵心和超微晶軟磁合金通過了省級技術(shù)鑒定，獲得與會專家學(xué)者的高度評價(jià)，一致認(rèn)為這兩項(xiàng)產(chǎn)品性能穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)分別達(dá)到美國UL94-P標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)GBm292-89技術(shù)要求，在國內(nèi)同類產(chǎn)品中具有特色。
非晶態(tài)（超微晶）軟磁合金，是90年代世界六大高科技新型材料之一，它具有優(yōu)異的特點(diǎn)，目前國內(nèi)市場供不應(yīng)求，前景廣闊。
變壓器的輸出能力即磁心的輸出能力，它取決于磁心面積的乘積（AP），其值等于磁心有效截面積（AC）和它的窗口截面積（Am）的乘積，即：
AP=ACAm（3）
在變壓器的設(shè)計(jì)中，變壓器的輸出能力必須大于它的設(shè)計(jì)輸出能力。在設(shè)計(jì)中，我們選用的矩形磁心的尺寸為：10×10×39×13.4（即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），實(shí)際AP達(dá)3.66cm4（其中磁心截面積的占空系數(shù)KC取0.7），大于變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力0.511cm4，因此，該磁心能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求。
3.4繞組計(jì)算
初級匝數(shù)：D取50%，Ton=D/f=0.5/（30×103）=16.67μs,
忽略開關(guān)管壓降，Up1=Ui/2=150V。
N1=Up1Ton10-2/2BmAc=（150×16.67）10-2/（2×0.6×1×1×0.7）=29.77匝
取N1=30匝次級匝數(shù)：忽略整流管壓降，Up2=Uo=2100V。
N2=Up2N1/Up1=（30×2100）/150=420匝
3.5導(dǎo)線線徑
Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A
電流密度：J=KjAp-0.1410-2=468×0.511-0.14×10-2=5.14A/mm2
考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2
?。?）初級繞組：
計(jì)算導(dǎo)線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2
初級繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。
?。?）次級繞組：
計(jì)算導(dǎo)線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。
次級繞組的線徑可選d=0.16mm的圓銅線，其截面積為0.02mm2。為了方便線圈繞制也可選用線徑較粗的導(dǎo)線。