高频变压器论文.doc

高频电路铁芯材料的选择与开关电源变压器设计The Magnet Material Used in High-frequency Circuit And The Design of The High-frequency Switching Power Supply Transformers 陈青昌 ， 彭力， 康勇 （华中科技大学应用电子研究中心，武汉，430074）【摘要】: 开关电源变压器设计是高频开关电源设计的一个核心，其设计的好坏直接影响高频开关电源的性能。本文详细介绍了应用于高频电力电子电路中的电感性元件和铁心材料,以及各种铁心材料的应用领域.文章最后以双极性开关电源变压器设计为例,介绍了如何设计高频电力电子电路中电感性元件. 【关键词】: 电力电子电路; 磁性材料; 变压器;Abstract: A brief introduction of the magnet material used in high-frequency power Electrical devices was presented. The area which the material be used was given too. The process of the design of the high-frequency switching transformers was demonstrated through a detail example.Keywords : power electrical; magnet material; high-frequency switching transformers; 1.引言 随着高频开关电源的广泛应用，应用于高频电力电子电路中的铁心材料的到不断的发展。如何选择合适的铁芯材料，如何设计性能优良的变压器成为设计时应该考虑的一个关键问题。本文详细介绍了应用于高频电力电子电路中的电感性元件和铁心材料,以及各种铁心材料的应用领域.文章最后以双极性开关电源变压器设计为例,介绍了如何设计高频电力电子电路中电感性元件.2.高频电力电子电路中的铁心材料: 由电磁感应定理:U=-N,对于正弦交流有U=4.44SN.从上式可以看出: 当频率f提高以后,只需要较小的交变磁通,便可感应出 所要求的电压.这意味着高频化可以使铁心的体积和重量减小. 但是频率提高以后,铁心的相对磁导率u下降,可工作的磁感应强度区间会变小,损耗会加大,特别是铁心中的涡流损耗会急剧增加,铁心发热变大.所以,要实现真正的可实用的电力电子电路高频化,一定要有适合高频工作的铁心.下面就简单介绍一下在高频电力电子电路常用的铁心材料:硅钢片(silicon Steel): 按照内部结构不同分无取向硅钢(含硅0.5%4.5%)和取向硅钢(含硅3%).硅钢具有高饱和磁感应强度,三级品已具有1.6T的饱和磁感应强度.较高的相对导磁率u,一般都在500010000.硅钢适合作工频或400赫兹变压器,也适合作滤波电抗器.因为其电阻率小,不可以在高频下工作.优点:价格便宜,加工方便.磁性能较好.缺点:不能高频下工作.坡 坡莫合金(permalloy):坡莫合金是含镍3090%的软磁铁镍合金, 初始导磁率约为10000饱和磁感应强度约为1T.坡莫合金曾经是高频铁心材料的重要品种.现应用较少. 优点:磁性能较好. 缺点:价格高,高频性能不好,设备要求高难以适应10K赫兹以上的工作频率铁氧体(ferrite):是以铁为主要成分的种或几种金属元素的复合氧化物.我们经常用到的R2K系列铁氧体即是锰-锌铁氧体。铁氧体的导磁率较低,饱和磁感应强度也较低.例如R2K系列铁氧体,其起始导磁率在20002500之间,饱和磁感应强度也只有0.3T(少数可达0.5T)但铁氧体的电阻率高,通常在10-2cm.这样高频时,交流磁化时的涡流损耗小.目前是应用于高频领域主要的磁性材料。优点:价格便宜,成型容易.高频发热较小.高频性能好.缺点:易碎,居里温度低.非晶态合金(amorphous)：非晶态的内部结构就像是液态结构的冻结，它不像晶体那样内部有各种规则的晶体结构，所以非晶态合金即具有金属性质，又像玻璃那样是非晶态的固体。 非晶体从目前来看是一种性能优异的磁性材料，饱和磁感应强度可达1.25T（铁基），剩磁低，矫顽力小。而且导磁率很高20K赫兹时约为20000以上。是未来最有前途的磁性材料之一。优点：损耗小。电阻率高，要求的激磁电流小。缺点：价格偏高，长期工作时的稳定性还很不了解。产品的一致性还没有把握。以上磁性材料的主要应用领域如下： 名 称主 要 磁 性 能主 要 应 用 领 域硅 钢Bs约1.6T以上，u,一般都在500010000工频和400赫兹变压器。电源滤波器坡 莫 合 金Bs约为1T,初始导磁率u约为10000以前为主要的磁性材料，现应用较少。铁 氧 体Bs约为0.40.5T，初始导磁率较小，但电阻率高，高频性能好高频变压器，EMI滤波线圈，各种滤波电感。非晶 态合 金Bs约为1.25T或者更高，导磁率高，剩磁小。电阻率较高。高频变压器，各种滤波电感。 表 13.高频电力电子电路中的电感性元件: 类 别名 称用途和性能变压 器主变压器电气隔离,功率传送,电压匹配自耦变压器功率传送,电压匹配隔离变压器电气隔离,功率传送驱动变压器电气隔离,信号传送电流(电压)互感器电气隔离,信号采集电 感线 圈储能电感能量存储,直流滤波电感滤除纹波交流滤波电感滤除杂波抑制电磁干扰电感滤除共模或差模干扰 表 2应用于高频电力电子电路中的电磁性元件按照大类可分为变压器和电感线圈两类,各类异同见上表: 在这里着重说明一下变压器的分类:在上表中分类原则是:性能和用途.在实际当中还常常按照工作频率来划分:工频变压器:工作频率为50或60赫兹.中频变压器:工作频率为4001000赫兹.音频变压器:工作频率2020000赫兹.超音频变压器:工作频率20K赫兹以上不超过100K赫兹.高频变压器:工作频率20K赫兹以上。4.双极性开关电源变压器的设计： 关电源变压器的设计包括电磁参数设计和线圈结构设计。详见下表：类型特点电路类型设计内容电磁 设计 电感储能型单向激磁,工作在B-H曲线第一象限反激式变换器!.磁心规格2.匝数与导线规格3.校核损耗和温升脉冲变压器正激式变换器双极性变压器双向激磁,工作在B-H曲线第二象限桥式,推挽式线圈结构设计导线结构取决于趋肤效应的影响所有的电路类型多股漆包线或扁平线绕组结构影响分布参数分层或分段端空结构取决于爬电距离按绝缘设计端子空间 表 3下面是设计的流程图 双极性开关电源变压器的设计第一步也是重要的一步是选取合适的铁芯, 如果铁心生产厂家有推荐的符合条件的铁心,可按照推荐选取.如没有,可按下面方法 常用的磁心选择方法有所谓的AP法,和Kg法,Kg法是基于电压调整率的方法,这里就不介绍,这里着重介绍AP法: 这里直接给出公式 这里着重指出里面几个参数的选择原则: 工作磁感应强度BW不应选的高,高的磁感应强度会引起高的损耗,发热会高.一般较保守设计时,R2K系列铁氧体,传送功率在1KW以上时,选0.15T以下. 电流密度J也不应选的高.电流密度越高发热越高.功率越大,电流密度应选的越小,一般在1A/mm25A/mm2之间.选出铁芯后,下一步就是设计匝数和选取导线:不同的工作类型的变压器,其匝数计算公式不同,公式来源都无外乎环路定理和磁感应定理,这里简单推导一下双极性变压器的匝数计算公式:图中V1是阶梯波电压,V1加在匝数为N的绕组上.产生的磁链瞬时值为,假设线圈的电阻为0,则有: 当V1为正时,为直线上升,斜率数值上为V1值;当V1为负时, 直线下降.在半个周期中磁链的变化量为2,上式可变为:=又有 ,上式又可变为=.这即是双极性变压器的匝数计算公式.下面以一个实际的设计为例来说明如何设计双极性变压器:一次侧输入400V到600V,主电路为ZVSZCS移相全桥式变换器.二次侧输出全波整流空载时为输出70V,输出功率为6KW,工作频率为20K赫兹.1 在初步设计时,选用铁氧体磁心EE110(E-36),变压器体积重量均偏高.后决定选用非晶合金,按照厂家推荐选非晶铁芯ONL120070030，各参数如下：铁芯尺寸如下：外直径OD120mm，内直径ID70mm，厚度HT30mm护盒尺寸：OD125mm，ID67mm，HT35mm有效截面积Sc5.25mm2 2. 工作时由于上下管存在死区,原边最大占空比0.9. ZVSZCS移相全桥式变换器存在占空比丢失,估算副边最大占空比0.8.变压器变比K必须满足在最小输入电压时,输出仍能打到指标要求.所以 3 匝数确定:一般原则是从副边向原边计算,即先算副边匝数,然后根据变比计算原边匝数副边匝数： 实取4匝，则Bm0.42T原边匝数：实取17匝4 线型选择:工作时副边两绕组分别流过约半个周期的脉动电流初级电流密度取次级电流密度取则S116.7mm2 S228.28mm2穿透深度 式中，铜线 f =20KHz时，原边流过高频脉动交流电，线径应小于两培的穿透深度0.76mm，取0.75mm漆包圆线，外径0.91mm，截面积0.44mm2 应选股并绕所以取原边绕组选0.75mm漆包圆线38根并绕。作一股绕制副边流过叠加有40K赫兹脉动交流的直流电,为绕制方便,也选取0.75mm漆包圆线.则应选取28.28/0.44=64.27股,取65股并绕.5.窗口校核:窗口系数可以绕下.6 绝缘原边各匝、副边各匝间用0.88mm电缆纸绝缘，原副边之间用0.15mm聚酰亚铵玻璃漆布绝缘.这样整个变压器设计完成,将原副边匝数,线型,股数,绝缘提供给变压器生产厂家即可.5.小结 本文简要介绍了应用于高频电力电子电路中的铁芯材料