30kHz高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

Designof30kHzHigh－frequencySMPSTransformer

???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(shì)。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(guò)示例介紹30kHz超微晶高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)。

1變壓器的性能指標(biāo)

??????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I0.08A

　　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(mǎn)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(lái)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)。

圖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(lái)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(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)中，磁心的最大工作磁感應(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，把最大工作磁感應(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(kāi)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(guò)省級(jí)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(duì)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(guò)了省級(jí)技術(shù)鑒定，獲得與會(huì)專(zhuān)家學(xué)者的高度評(píng)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(guó)UL94－P標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)GBm292－89技術(shù)要求，在國(guó)內(nèi)同類(lèi)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)供不應(yīng)求，前景廣闊。

　　聯(lián)系人：江西省宜春市東風(fēng)大街62號(hào)宜春地區(qū)糧食局（336000）方華平

???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(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

3.4繞組計(jì)算

初級(jí)匝數(shù)：D取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs,

忽略開(kāi)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(jí)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

（1）初級(jí)繞組：

計(jì)算導(dǎo)線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2

初級(jí)繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。

(2)次級(jí)繞組：

計(jì)算導(dǎo)線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。

次級(jí)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。

4線圈繞制與絕緣

　　為減小分布參數(shù)的影響，初級(jí)采用雙腿并繞連接的結(jié)構(gòu)，次級(jí)采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性，繞制后的線圈厚度約為4.5mm。小于磁心窗口寬度13.4mm的一半。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙，提高初、次級(jí)之間的絕緣強(qiáng)度和抗電暈?zāi)芰?。變壓器絕緣則采用整體灌注的方法來(lái)保證變壓器的絕緣使用要求。

5結(jié)束語(yǔ)

　　該超微晶開(kāi)關(guān)電源變壓器，環(huán)氧灌注絕緣后通過(guò)了產(chǎn)品的電性能檢測(cè)和機(jī)載條件的環(huán)境試驗(yàn)，已用于機(jī)載設(shè)備，變壓器的溫升<35℃，工作效率達(dá)到90％以上，且波形質(zhì)量?jī)?yōu)異，電性能參數(shù)穩(wěn)定。超微晶合金薄帶是新型的軟磁合金，電磁性能優(yōu)異，價(jià)格低廉，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在高頻電磁元件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在陣面雷達(dá)系統(tǒng)中的電源、激勵(lì)變壓器、電感等。在100kHz的使用條件下，可以取代鐵氧體、坡莫合金用作磁心材料。