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        高頻電源變壓器設計原則要求和程序
        作者: 發(fā)布日期:2018/09/29 關(guān)注次數:108710

        高頻電源變壓器設計原則要求和程序【一】

        摘要:

        高頻電源變壓器設計原則要求和程序
          
        摘要:從高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品(即商品)出發(fā),說(shuō)明了它的設計原則和要求,并介紹了它的設計程序。

          關(guān)鍵詞:高頻電源變壓器;設計原則;設計要求;設計程序

        1前言

          電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離,作為一種主要的軟磁電磁元件,在電源技術(shù)中和電力電子技術(shù)中得到廣泛的應用。根據傳送功率的大小,電源變壓器可以分為幾檔:10kVA以上為大功率,10kVA0.5kVA為中功率,0.5kVA25VA為小功率,25VA以下為微功率。傳送功率不同,電源變壓器的設計也不一樣,應當是不言而喻的。有人根據它的主要功能是功率傳送,把英文名稱(chēng)“Power Transformers”譯成功率變壓器,在許多文獻資料中仍然在使用。究竟是叫電源變壓器,還是叫功率變壓器好呢?有待于科技術(shù)語(yǔ)方面的權威機構來(lái)選擇決定。

          同一個(gè)英文名稱(chēng)“Power

          Transformer”,還可譯成電力變壓器。電力變壓器主要用于電力輸配系統中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用,原邊電壓為6kV以上的高壓,功率最小5kVA,最大超過(guò)上萬(wàn)kVA。電力變壓器和電源變壓器,雖然工作原理都是基于電磁感應原理,但是電力變壓器既強調功率傳送大,又強調絕緣隔離電壓高,無(wú)論在磁芯線(xiàn)圈,還是絕緣結構的設計上,都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著(zhù)的差別,更不能將電力變壓器設計的優(yōu)化設計條件生搬硬套地應用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設計方法不一樣,也應當是不言而喻的。

          高頻電源變壓器是工作頻率超過(guò)中頻(10kHz)的電源變壓器,主要用于高頻開(kāi)關(guān)電源中作高頻開(kāi)關(guān)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(gè)檔次:10kHz50kHz、50kHz100kHz、100kHz500kHz、500kHz1MHz、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,作者對高頻電源變壓器的設計原則、要求和程序不存在錯誤概念,而是在20037月初,閱讀《電源技術(shù)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(chǎn)生了疑慮,感到有些問(wèn)題值得進(jìn)一步商討,因此才動(dòng)筆寫(xiě)本文。正如《電源技術(shù)應用》主編寄語(yǔ)所說(shuō)的那樣:具體地分析具體的情況,寫(xiě)的目的,是嘗試把最難詳細說(shuō)明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設計問(wèn)題弄清楚。如有說(shuō)得不對的地方,敬請幾位作者和廣大讀者指正。

        2 高頻電源變壓器的設計原則

          高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品,自然帶有商品的屬性,因此高頻電源變壓器的設計原則和其他商品一樣,是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。有時(shí)可能偏重性能和效率,有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本?,F在,輕、薄、短、小,成為高頻電源的發(fā)展方向,是強調降低成本。其中成為一大難點(diǎn)的高頻電源變壓器,更需要在這方面下功夫。所以在高頻電源變壓器的設計要點(diǎn)一文中,只談性能,不談成本,不能不說(shuō)是一大缺憾,如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則,追求更好的性能價(jià)格比,傳送不到10VA的單片開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器,應當設計出更輕、薄、短、小的方案來(lái)。不談成本,市場(chǎng)的價(jià)值規律是無(wú)情的!許多性能好的產(chǎn)品,往往由于價(jià)格不能為市場(chǎng)接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產(chǎn)品最后被成本否決。一些節能不節錢(qián)的產(chǎn)品為什么在市場(chǎng)上推廣不開(kāi)值得大家深思。

          產(chǎn)品成本,不但包括材料成本,生產(chǎn)成本,還包括研發(fā)成本,設計成本。因此,為了節約時(shí)間,根據以往的經(jīng)驗,對高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數據,對窗口填充程度,繞組導線(xiàn)和結構推薦一些方案,有什么不好?為什么一定要按步就班地來(lái)回進(jìn)行推算和仿真,才不是概念錯誤?作者曾在20世紀80年代中開(kāi)發(fā)高頻磁放大器式開(kāi)關(guān)電源,以溫升最低為條件,對高頻電源變壓器進(jìn)行過(guò)優(yōu)化設計。由于熱阻難以確定,結果與試制樣品相差甚遠,不得不再次修正?,F在有些公司的磁芯產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中,為了縮短用戶(hù)設計高頻電源變壓器的時(shí)間,有的列出簡(jiǎn)化的設計公式,有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶(hù)著(zhù)想,又推廣公司產(chǎn)品的雙贏(yíng)行為,是完全符合市場(chǎng)規律的行為,絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問(wèn)題是提供的參考數據,推薦的方案是否是經(jīng)驗的總結?有沒(méi)有普遍性?包括辨析一文中提出的一些說(shuō)法,都需要經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗,才能站得住腳。

          總之,千萬(wàn)記?。焊哳l電源變壓器是一種產(chǎn)品(即商品),設計原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗。

        3 高頻電源變壓器的設計要求

          以設計原則為出發(fā)點(diǎn),可以對高頻電源變壓器提出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

          使用條件包括兩方面內容:可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性,現在由于環(huán)境保護意識增強,必須注意電磁兼容性。

          可靠性是指在具體的使用條件下,高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對高頻電源變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。有些軟磁材料,居里點(diǎn)比較低,對溫度敏感。例如:錳鋅軟磁鐵氧體,居里點(diǎn)只有215℃,其磁通密度,磁導率和損耗都隨溫度發(fā)生變化,故除正常溫度25℃外,還要給出60℃,80℃,100℃時(shí)的各種參考數據。因此,將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下,也就是環(huán)境溫度為40℃時(shí),溫升只允許低于60℃,相當于A級絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線(xiàn)和絕緣件,一般都采用E級和B級絕緣材料,采用H級絕緣的三重絕緣電磁線(xiàn)和聚酰胺薄膜,是不是大材小用?成本增加多少?是不是因為H級絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設計方案,可以使體積減少1/21/3的緣故?如果是,請舉具體實(shí)例數據。作者曾開(kāi)發(fā)H級絕緣工頻50Hz,10kVA干式變壓器,與B級絕緣工頻50Hz,10kVA干式變壓器相比,體積減小15%到20%,已經(jīng)相當可觀(guān)了。本來(lái)體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器,如次級繞組采用三重絕緣線(xiàn),能把體積減小1/21/3,那一定是很寶貴的經(jīng)驗。請有關(guān)作者詳細介紹優(yōu)化設計方案,以便廣大讀者學(xué)習。

          電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)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。高頻電源變壓器產(chǎn)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(chǎn)生的電磁干擾大。例如,錳鋅軟磁鐵氧體,磁致伸縮系數λS21×106,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(chǎn)生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線(xiàn)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左右的高頻電源變壓器,沒(méi)有特殊原因是不會(huì )產(chǎn)生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz20kHz,一定有其原因。由于沒(méi)有畫(huà)出噪聲頻譜圖,具體原因說(shuō)不清楚,但是由高頻電源變壓器本身產(chǎn)生的可能性不大,沒(méi)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(shí)例與數據以及對噪聲原因的詳細說(shuō)明,才會(huì )令人可信。

          屏蔽是防止電磁干擾,增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源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

          高頻電源變壓器完成功能有3個(gè):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(chǎn)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(guò)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=BmBr。為了提高ΔB,希望Bm大,Br小。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(guān)。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?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?lái),然后通過(guò)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(guān),磁導率高,電感量大,儲能多,而不直接與磁通密度有關(guān)。雖然功率傳送方式不同,要求的磁芯參數不一樣,但是在高頻電源變壓器設計中,磁芯的材料和參數的選擇仍然是設計的一個(gè)主要內容。在電源變壓器設計要點(diǎn)一文中,很遺憾缺少這一個(gè)主要內容。只是在交流損耗一條中,提出BAC典型值為0.040.075T。顯然,文中的高頻電源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(jīng)查閱,在《電源技術(shù)應用》20031/2期,同一主要作者寫(xiě)的開(kāi)關(guān)電源設計要點(diǎn)一文中,列出了磁芯的選擇,也沒(méi)有提磁導率,只是提出最大磁通密度Bm0.275T。由于沒(méi)有畫(huà)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BACBm相差6.83.7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??jì)晌闹卸紱](méi)有一點(diǎn)說(shuō)明,只好讓讀者自己去猜想了。

          電壓變換通過(guò)原邊和副邊繞組匝數比來(lái)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(guān)。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(gè)數值?《電源技術(shù)應用》2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著(zhù)不同的說(shuō)法。設計要點(diǎn)一文中說(shuō):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(kāi)路時(shí)初級電感量的1%~3。辨析一文中說(shuō):在很多技術(shù)單上,標注著(zhù)漏感=1%的磁化電感或漏感<2%的磁化電感等類(lèi)似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫(xiě)法或設計標準很不專(zhuān)業(yè)。電源設計者應當根據電路正常工作要求,對所能接受的漏感值作一個(gè)數值限制。在制作變壓器的過(guò)程中,應在不使變壓器的其他參數(如匝間電容等)變差的情況下盡可能減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求。否則這將表明你不理解漏感知識或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值。雖然兩篇文章說(shuō)法不一樣,但是有一點(diǎn)是共同的,就是盡可能減小漏感值。因為漏感值大,儲存的能量也大,在電源開(kāi)關(guān)過(guò)程中突然釋放,會(huì )產(chǎn)生尖峰電壓,增加開(kāi)關(guān)器件承受的電壓峰值,對絕緣不利,也產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾。

          絕緣隔離通過(guò)原邊和副邊繞組的絕緣結構來(lái)完成。為了保證繞組之間的絕緣,必須增加兩個(gè)繞組之間的距離,從而降低繞組間的耦合程度,使漏感增大。還有,原繞組一般為高壓繞組,匝數不能太少,否則,匝間或者層間電壓相差大,會(huì )引起局部短路。這樣,匝數有下限,使漏感也有下限??傊?,在高頻電源變壓器絕緣結構和總體結構設計中,要統籌考慮漏感和絕緣強度問(wèn)題。

        3.3 提高效率

          提高效率是對電源和電子設備的普遍要求。雖然從單個(gè)高頻電源變壓器來(lái)看,損耗不大。例如,100VA高頻電源變壓器,效率為98%時(shí),損耗只有2W,并不多。但是成十萬(wàn)個(gè),成百萬(wàn)個(gè)高頻電源變壓器,總損耗可能達到上100kW,甚至上MW。還有,許多高頻電源變壓器一直長(cháng)期運行,年總損耗相當可觀(guān),有可能達到上10GW·h。這樣,提高高頻電源變壓器效率,可以節約電力。節約電力后,可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,廢氣,廢水,煙塵和灰渣,減少對環(huán)境的污染。既具有節約能源,又具有環(huán)境保護的雙重社會(huì )經(jīng)濟效益。因此,提高效率是高頻電源變壓器一個(gè)主要的設計要求,一般效率要提高到95%以上,損耗要減少到5%以下。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗(鐵損)和繞組損耗(銅損)。有人關(guān)心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個(gè)比例是隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化的。如果變壓器的外加電壓不變,工作頻率越低,繞組匝數越多,銅損越大。因此在50Hz工頻下,銅損遠遠超過(guò)鐵損。例如:50Hz,100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器,銅損為鐵損的5倍左右。50Hz,100kVASH11型三相油浸式非晶合金電力變壓器,銅損為鐵損的20倍左右。并不存在辨析一文中所說(shuō)那樣,工頻變壓器從熱穩定熱均勻角度出發(fā),把銅損等于鐵損作為經(jīng)驗設計規則。隨著(zhù)工作頻率升高,繞組匝數減少,雖然由于趨表效應和鄰近效應存在而使繞組損耗增加,但是總的趨勢是銅損隨著(zhù)工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗,隨著(zhù)工作頻率升高而迅速增大。在某一段工作頻率,有可能出現銅損和鐵損相等的情況,超過(guò)這一段工作頻率,鐵損就大于銅損。造成鐵損不等于銅損的原因,也并不象辨析一文中所說(shuō)那樣是由于高頻變壓器采用非常細的漆包線(xiàn)作為繞組。導線(xiàn)粗細的選擇,雖然受趨表效應影響,但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來(lái)決定,與工作頻率不存在直接關(guān)系。而且,選用非常細的漆包線(xiàn)作為繞組,反而會(huì )增加銅損,延緩銅損的下降趨勢。說(shuō)不定在設計選定的工作頻率下,還有可能出現銅損等于鐵損的情況。根據有的資料介紹,中小功率高頻電源變壓器的工作頻率在100kHz左右,鐵損已經(jīng)大于銅損,而成為高頻電源變壓器損耗的主要部分。

          正因為鐵損是高頻電源變壓器損耗的主要部分,因此根據鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設計的一個(gè)主要內容。鐵損也成為評價(jià)軟磁芯材料的一個(gè)主要參數。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關(guān),在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí),必須說(shuō)明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下?lián)p耗。用符號表示時(shí),也必須標明PB/f〔式中工作磁通密度B的單位是T(特斯拉),工作頻率f的單位是Hz(赫芝)〕。例如,P0.5/400表示工作磁通密度為0.5T,工作頻率為400Hz時(shí)的損耗。又例如,P0.1/100k表示工作磁通密度為0.1T,工作頻率為100kHz時(shí)的損耗。鐵損還與工作溫度有關(guān),在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí),必須指明它的工作溫度,特別是軟磁鐵氧體材料,對溫度變化比較敏感,在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中都要列出25℃100℃的鐵損。

          軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限,常常是鐵損限制了工作磁通密度的上限。所以,在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類(lèi)標準中,把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積B×f,作為材料的性能因子,并說(shuō)明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類(lèi)標準根據性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1,PW2,PW3,PW4,PW55類(lèi),性能因子越高的,工作頻率越高,極限頻率也越高。例如,PW3類(lèi)軟磁鐵氧體材料,工作頻率為100kHz,極限頻率為300kHz,性能因子B×f10000mT×kHz,即在100mT0.1T)和100kHz下,100℃時(shí)損耗a≤300kW/m300mW/cm3),b≤150kW/m3150mW/cm3)。***TDK公司生產(chǎn)的PC44型軟磁鐵氧體材料達到PW3a級標準,達不到PW3b級標準。

          設計要點(diǎn)一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時(shí)的損耗應低于50mW/cm3,沒(méi)指明是選哪一類(lèi)軟磁鐵氧體材料,也沒(méi)說(shuō)明損耗對應的工作磁通密度。讀者只好去猜:損耗對應的工作磁通密度是《電源技術(shù)應用》20036設計要點(diǎn)一文中的BAC典型值0.040.075T?還是《電源技術(shù)應用》20031/2設計要點(diǎn)一文中的Bm0.237T?不管是0.075T,還是0.237T?要達到100kHz下鐵損低于50mW/cm3的鐵氧體材料是非常先進(jìn)的。請介紹一下是哪家公司哪種型號產(chǎn)品,以便讀者也去購買(mǎi)。

          在某一段工作頻率下,高頻電源變壓器的繞組損耗(銅損)與鐵損相接近時(shí),例如,銅損/鐵損=100%~25%范圍內,銅損也不能忽視,也應當考慮采取措施來(lái)減少銅損。由于原繞組和副繞組承擔的功率相近,往往在設計中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損,以便簡(jiǎn)化設計計算過(guò)程,這并不象辨析一文中所說(shuō)的那樣:只是工頻變壓器設計的一種經(jīng)驗規則,對一定工作頻率下高頻電源變壓器設計也適用。不能只強調依靠溫升來(lái)設計高頻電源變壓器,由于熱阻不容易準確確定,設計計算相當麻煩。因此,為了簡(jiǎn)化計算,有時(shí)根據經(jīng)驗預先推薦一些原則和數據是必要的。同樣,為了簡(jiǎn)化計算,對不同工作頻率,不同功率的高頻電源變壓器推薦不同的繞組電流密度,也是必要的,但不限于某一個(gè)電流密度值,例如,2A/mm23A/mm2。應當看到:實(shí)現高頻電源變壓器設計要求的方法并不限于一種,應當允許進(jìn)行多種多樣的探索。你走你的陽(yáng)關(guān)道,我走我的獨木橋。為什么一定要按你指定的道路走,才不是錯誤概念呢?

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