大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究

1、作者简介:卢怡(1982- ,女,硕士研究生,主要研究方向为低压电器测试技术、计算机控制。0 引言近年来,随着高频脉冲技术、软开关变换技术的发展和高性能的大功率半导体MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT 等电力电子器件的应用,给大功率高频开关稳压电源的发展提供了有利的条件。而开关电源变压器既是高频开关稳压电源实现功率转换和传输的核心部件,又是开关电源的主要发热源。同时,大功率高频开关电源变压器在设计上,所涉及的主要变量均是非线性变量,特别是磁性材料,其工作状态和变化难以用计算式或电路物理方程式预先准确表达和定位;而在实践上,对于大功率高芯材料选择、电磁参数设计及绕制工艺。测试结果表明,试验变

2、压器的主要参数均接近进口样机,空载、满载时输出波形正常,运行状况良好,可以确定采用国产LP3材料的PM87磁芯是正确的,同时,设计的绕组参数合理,绕制工艺也切实可行。大功率全桥软开关电源变压器的设计和研究介绍了3kW、60kHz软开关电源变压器的主要特点,给出了3kW全桥软开关电源变压器的磁变压器;全桥软开关电源;大功率卢怡1,陶良华2,顾惠祥2,卢达1,3(1 常熟理工学院,江苏 常熟 215500;2 常熟纺织机械厂有限公司,江苏 常熟 215500;3 江苏省纺织机械工程研究中心,江苏 常熟 215500Abstract: Introduction was made to the mai

3、n features of kW, 0kHz soft switching power supply transformer, giving out kW full bridge soft switching power supply transformer magnetic core material selection, magnetic parameter design and winding technology. Test results show that the main parameters of the tested transformer are near that of

4、imported sample machine, the output waves are nor-mal at idling and fully loaded, good in operation conditions. It is certain to say that to adopt LP3 material made in China for PM87 mag -netic core is correct, and in the meantime windings parameters is reasonable in design and winding technology is

5、 practically feasible. Key words: transformer; full bridge soft switching power supply; high-powerLU Yi , TAO Liang-hua 2, GU Hui-xiang 2, LU Da ,( Changshu Institute of Technology, Changshu 2 5500, China;2 Changshu Textile Machinery Works Group Co.,Ltd, Changshu 2 5500, China; Jiangsu Textile Machi

6、nery Engineering Research Center, Changshu 2 5500, China Design and Study on High -Power Full Bridge Soft SwitchingPower Supply Transformer中图分类号:TM402 文献标识码:A 文章编号:1007-3175(200805-0017-05摘 要:关键词:频开关电源变压器如何减少漏电感,一直是困扰大家的问题,对此虽有一些文章分析了原因,介绍改进的方法,但对于不同功率、不同结构、不同磁芯材料、不同变压比的变压器没有统一的模式1-2。为探索大功率开关电源变压器技术

7、,选用国产磁芯材料,设计了3kW、65kHz 软开关移相控制全桥变换器中的开关电源变压器,取得较满意的效果。1 大功率双极性全桥软开关电源变压器的主要特点移相全桥功率变换器的简化电路如图1所示。图中高电压开关管S 1、S 2、S 3、S 4组成全桥结构的8换时,瞬时引起的电压尖峰可能造成功率开关管和整流器的损坏。因此,在开关电源电路设计时对漏感和分布电容提出限定值的同时,在变压器设计和绕制工艺上要考虑和采取有效措施限制有关分布参数3。2 3kW双极性全桥软开关电源变压器的设计2.1 开关频率和最大占空比的确定开关频率对电源的体积以及特性影响很大,必须综合考虑。升高频率是开关电源发展的总趋势,但

8、是,频率升高,开关电源的损耗和噪声增大,这对电源散热结构、开关器件性能和变压器的设计提出更高的要求。而且,频率升高,电磁干扰的高频分量增多,将增大对周围的电子设备的影响,综合上述情况,再结合目前国产高频开关变压器磁芯的水平,设计选用开关频率为65kHz。最大占空比是设计变压器及外围电路时的重要参数,它对主开关元件和输出二极管的耐压、输出保持时间、变压器和输出滤波器的体积及变换效率等都有很大影响。例如,最大占空比选的窄,高频谐波分量增多,使得开关损耗增大,电源效率降低。为此,最大占空比选为0.9。2.2 磁芯材料和磁芯结构形状的选取正确选择磁芯材料是设计高频开关电源变压器成功的第一步。考虑所设计

9、试验变压器的工作频率和功率、功率变换器电路及试验成本,适合使用软磁铁氧体材料作变压器磁芯,而我国功率软磁铁氧体生产水平已接近世界先进水平,如LP3材料在性能上相当于德国西门子的N67,决定采用南京新康达磁业有限公司生产的LP3牌号的软磁铁氧体。磁芯结构形状的选取在考虑开关电源变压器的电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等的同时,还应考虑以下因素:(1漏磁要小,以便获得小的绕组漏感;(2便于绕制,引出线及整个变压器安装方便,以有利于批量生产和维护;(3有利于散热。分析国产铁氧体磁芯GU、EE、EC、EP、PM、RM、PQ 等各种型号及最近发展的EFD、EPC、LP 型等平面磁芯的结构,决定选用

10、PM87型磁芯。PM 型是罐型和E 型磁芯的折中,比罐型有更大的出线窗口和好的散热条件,可传输更大的功率,磁屏蔽效四个臂,高频开关电源变压器T 1接在它们正中间,相对于桥臂上的一对开关管S 1和S 4与另一对开关管S 2和S 3分别由驱动控制电路以脉宽调制(PWM方式激励而交替地导通与断开,将直流输入电压变换成高频方波交流电压,传递到T 1的副边绕组,得到交替通断的方波输出电压,再经整流和滤波,输出所需的直流电压。由于高频变压器T 1的电感性及存在的漏电感和功率开关管较大的输入电容对脉冲电压上升沿、下降沿的延迟作用,其工作过程中还会出现谐振过程,使桥臂难以实现零电压开关,为此,在T 1原边绕组

11、串联附加谐振电感L r ,在滞后桥臂并联辅助谐振网络L a 、C a1、C a2、D a1、D a2以实现全桥变换器的零电压开关,并能降低附加谐振电感量,减少变压器副边绕组电压占空比的丢失。开关电源变压器是开关型功率变换器中的核心部件,其作用有:功率转换、电压变换和绝缘隔离。双极全桥软开关电源变压器由方波激励,磁性材料工作在整个磁滞回线区间,变压器效率较单极性开关变压器高出一倍以上。因工作频率很高,因此,它的体积和重量比工频变压器的小。但其性能的好坏,不仅影响变压器本身的发热和效率等,而且还会影响开关电源的技术性能和可靠性。所以在设计制作时,对磁芯材料的选择、磁芯与线圈的结构等要有周密考虑。开

12、关电源变压器工作于高频状态,漏感、分布电容和电流在导体中流动的趋肤效应等分布参数的影响不能忽视。例如,漏感阻止开关和整流器电流的瞬时变化并随负载电流的增大而加剧,使变压器输出的外特性变软,同时互感和漏感能量在开关转果良好,且PM 磁芯具有中心孔,在有些谐振电路中要求准确的调谐,可通过中心孔插入磁棒调节电感量,调节范围可达30%。3 电磁参数设计高频开关电源变压器的设计依赖于磁芯元件的形状结构及尺寸,即以磁芯元件固有的结构参数(体积、有效截面积、磁路长度、结构常数、散热表面积等及给定的典型条件(如最大占空比、温升等和相关的电源参数(如输入电压范围、输出电流等,以最大输出功率为约束条件,设计计算出

13、典型的参数1。3.1 PM87磁芯参数磁芯有效面积A e =9.1cm 2,磁芯窗口有效面积A Q =8.496cm 2,功率容量乘积A P =A e A Q =9.18.496=77.31,初始磁导率i =2300,饱和磁密B =390mT(100时,磁损耗P c 450kW/m 3(100kHz、200mT时,电阻率=5m(DC、25时。3.2 变压器电参数(变压器标称功率P T =3000W原边:原边所加矩形波电压(峰-峰值V in max =540V,工作频率f =65kHz,直流电阻设定值R 1=0.11,电感L 1=1.50mH,占空比D 1=0.9。副边:副边输出电压17V及34

14、V,电源额定输出电流160A(平均值,34V脉冲占空比D 2=0.1。3.3 变压器功率容量A P 及A P /A P式中:P T 变压器标称功率;B m 最大磁感应强度;变压器效率;f 变压器原边电路开关频率;变压器绕组电流密度;K m 窗口的铜导线填充系数;K c 磁芯填充系数(铁氧体,取K c =1.0。所以,A P /A P =77.313/25.64=3.02。可见采用PM87磁芯对65kHz、3000W变压器来说,其功率容量足够大。3.4 原、副边电路中所用的主要器件原边:采用500V、48A,IXYS48N51型功率MOS 场效应管;副边:采用MUR460型整流二极管和BYT-7

15、9型快恢复二极管。3.5 绕组计算3.5.1 原边绕组匝数N P最终取整数为12匝。3.5.2 副边绕组匝数N S34V时:式中:V OP134V 时副边绕组整流滤波输出电压幅值,V OP1=V O +V D +V L =341.1+1.2+0.2=38.8(V其中:V O 考虑脉动值的输出电压值,取V O =1.1V 2V D 副边绕组整流二极管的正向压降,V D 取1.2V V L 副边绕组滤波电感的直流压降,V L =0.2V。17V时:取整数为1匝。3.5.3 原边绕组电流平均值I 13.5.4 副边绕组电流平均值I 2由于副边绕组经二极管整流输出为直流17V上迭加34V脉冲,其占空比

16、为D 2=0.1。3.5.5 原边绕组线规考虑高频电流的趋肤效应,开关频率为65kHz 时的穿透深度为:式中:角频率,=2f ;导线磁导率铜的磁导率为真空磁导率=410-7H/m;导线的电导率,对于铜导线=5810-6S/m。导线选择的原则为:原、副边绕组线径应小于N P =(V in max /21084fB m A e=(540/210846510310009.1=11.41(匝(2(6I 2=P T V 2+V 2D 2=300017+1.7=160.43(AI 1=P T (V in max /2D 1=12.35(A3000(540/20.9(5A P =P T 1062fB m K

17、 m K c=300010620.96510310320.51=25.64(1N S1=N P V OP1(V in max /2=1238.8270=1.72(匝(3N S2=N P V OP2(V in max /2=1220.1270=0.89(匝(4取整数为2匝。;=210-1=2265103410-75810-610-10.26(mm(7,20料比重d =4.8103kg/m 3,当f =65kHz,B m =100mT 时,单位磁损耗P c 约120kW/m 3,所以:P Z =P c (m /d =120(0.81/4.8=20.25(W3.5.14 变压器总损耗P 总P 总=P

18、 Z P Cu =24.38+20.25=44.63(W4 绕制工艺高频开关电源变压器对绕制工艺要求很高,如果前期磁芯选择正确,线圈参数设计合理,但在绕制工艺上稍有疏忽,就有可能增大变压器的漏感。而漏感值大,储存的能量也大,在电源开关过程中突然释放,会产生尖峰电压,增加开关器件承受的电压峰值,对绝缘不利,同时也产生附加损耗和电磁干扰。要减小漏感,线圈绕制时必须做到:(1靠紧并均匀分布绕线;(2原、副边绕组应紧密耦合,尽量增大原、副边绕组的接触面积;(3若条件许可,应尽量采用半包或全包的原、副边绕组绕制形式。4.1 总体要求1采用PM87磁芯生产厂配套的骨架绕制。2整体采用开放式绕制,即原边绕组

19、绕在里面,副边绕组绕在外面。没有采用半包式或全包式绕制是由于副边绕组四组铜排引出头已占据窗口空间绝大部分区间,无法实现半包或全包绕制。3在保证可靠绝缘的前提下,副边绕组铜排绕制尽可能紧靠原边绕组。4原、副边绕组引出线位置正确,牢固无松动现象(采用绝缘材料与热熔胶双重固定的方式。4.2 原、副边绕组绕制工艺1原边绕组分二股,每股0.27QZ103并绕。2骨架无绝缘要求,保持较大张力直接绕制。其中12匝要求:里层6匝,外层6匝;层与层交叠处加厚度为0.04mm 的B 级绝缘纸。3原边绕组两引出线应牢固固定并相距1012mm。4副边绕组采用截面积为20mm 2,宽度不小于8mm的B级绝缘铜排绕制。分

20、四组,其中绕组(1-3、(5-3匝数为1,(2-3、(4-3匝数为2。5副边绕组采用二组合一分别绕制的形式,两倍穿透深度。现采用0.27QZ106绕制,即用由6根相同的100.27QZ 漆包线绞合线并绕。3.5.6 副边绕组线规综合考虑趋肤效应及副边绕组为大电流输出,宜采用厚度不超过2mm、截面积不小于20mm 2的扁铜排(现采用7mm3.1mm 铜排。3.5.7 原边绕组电流有效值I 1式中:D 1原边绕组所加电压波形的占空比I P1原边绕组峰值电流,I P1=U P2/U P1I P2=17/540160.43=5.05(A。其中:U P2变压器副边绕组峰值电压(17V 时,其值近似为开关

21、电压直流输出值U P1原边绕组输出电压幅值;I P2副边绕组峰值电流,其值等于开关电流直流输出值,即I P2=I 2。3.5.8 副边绕组电流有效值I 2由于副边绕组所接为全波整流,所以:3.5.9 原边绕组电流密度11=I 1/S 1=6.78/2.49=2.72(A/mm 2。式中:S 1为原边绕组截面积,由于采用0.27QZ60并绕,S 1=d 21/460=0.232/460=2.49(mm 2。3.5.10 副边绕组电流密度2由于副边绕组所接为全波整流,所以:3.5.11 校核窗口PM87磁芯窗口有效面积A Q =8.496cm 2,原边绕组总有效面积:S 1=2n N P =0.2

22、726012=52.5(mm 2。式中:n 原边绕组导线并绕根数。副边绕组总有效面积:S 2=S 222+S 212=204+202=120(mm 2。窗口填充系数:=(S 1+S 2/A Q =(52.5+120/849.6=0.20,完全可绕制。3.5.12 绕组铜损耗P Cu3.5.13 磁芯损耗P Z由PM87资料得,PM87质量m =0.81kg,LP3材2= I 2/S 2= 134.22/20=3.36(A/mm 21212(10134.22(AI P2=1+2D 121+1.82160.43=I 2=(9 P Cu =I i 2R i =R 1+I 22R 2=6.7820.3

23、5+134.2220.4610-3=24.38(W(11I 12(12(13I 1= 2D 1I P1= 20.95.05=6.78(A(8;即:先将(1-3组和(4-3组铜排叠在一起,其中(1-3在外,(4-3在里,固定3端后一起绕制,然后(5-3组在外,(2-3组在里叠在一起,3端与前一组的3端叠在一起。然后(5-3组在外,(2-3组在里叠在一起,3端与前一组的3端叠在一起固定后反方向绕制。4.3 绝缘处理工艺1原、副边绕组(高、低压绕组间绝缘:采用厚度=0.19mm的6层B级绝缘材料紧绕。2原边绕组层间绝缘:采用厚度=0.04mm的1层B级绝缘材料纸。3副边绕组层间绝缘:无要求,但铜排交

24、叠处应填厚度为=0.04mm的4层B级绝缘材料纸。4.4 磁芯装配工艺由于PM87磁芯有中心孔,采用M580螺钉固定,保证两部分磁芯合一,减小气隙,减小磁损耗。为确保原、副边绕组在磁芯中定位正确和散热要求,在副边绕组用绝缘带绑扎固定于骨架的同时,应采用热熔胶在磁芯中固定骨架和副边绕组。5 测试结果及分析测试分静态测试和变压器接于零电压软开关全桥功率变换器中的动态测试两大部分。其中静态分别对进口变压器、试验变压器进行了绕组开路、短路时,R、Q、L等参数的测试,测试结果见表1和表2。动态测试时,分别将进口变压器、试验变压器装在采用零电压软开关全桥功率变换器的开关电源中,测试记录空载、半载、满载变压

25、器原、副边绕组各相关点及整流输出波形。图2为变压器满载时整流输出波形。测试结果:(1试验变压器静态测试所获得的参数无论在开路、短路时均接近进口样机,特别是全开路时原绕组的L值达到进口样机的水平,为进一步削弱漏感打下了一定基础。(2试验变压器在动态试验时,无论空载或满载所测波形正常。运行、发热情况良好,满载转换效率达95.2%。可以确定采用LP3材料的PM87磁芯是正确的,所设计和计算的绕组参数是合理的,绕制工艺是切实可行的。6 结语1完成制作大功率高频开关电源变压器的关键是:选材(磁芯材料及结构形式、导线、参数设计表1 变压器绕组开路时R、Q、L参数测试数据次级(进口变压器次级(自制试验变压器

26、出线端R/mQ L/H出线端R/mQ L/H 1-30.20331.0710.881-30.37181.2611.15 2-30.93289.0843.072-3 1.64121.6343.38 4-3 1.02263.8343.174-3 1.48134.1243.34 5-30.16404.0710.735-30.48115.2011.10 1-50.92293.5343.161-5 1.67145.8943.35 2-4 6.99158.37176.262-49.9199.38156.98 1-20.62109.0710.931-2 1.0171.8211.56 4-50.59115.0

27、610.884-50.7495.4211.38注:测试条件为f=1kHz,U=5.0V,R=1,延时1s。表2 变压器部分绕组短路时R、Q、L参数测试数据初级(进口变压器初级(自制试验变压器进线端R/mQ L/H进线端R/mQ L/H 全开路348.0533.991883.00全开路353.6731.561777.80 1-3短路148.89 2.2252.611-3短路173.31 2.0757.162-3短路57.99 2.0018.432-3短路68.50 1.9020.714-3短路56.89 1.8216.484-3短路61.76 1.7417.145-3短路148.23 2.104

28、9.445-3短路167.56 1.8850.031-3-5短路55.53 2.1218.771-3-5短路62.22 1.9619.39全短路21.63 1.76 6.05全短路26.26 1.43 5.97注:测试条件为f=1kHz,U=5.0V,R=10,延时1s。图2 变压器满载时整流输出波形a自制试验变压器b进口变压器(下转第29页2一种新型的不确定系统鲁棒参数选择方法 江苏电器 (2008 No.5 and Human Science. Nagoya：IEEE Press,1995 ： 39-43. 5 Shi Yuhui, Eberhart R. Parameter Select

29、ion in Particle Swarm OptimizationC/Proceedings of the 7th Annual Conference on Evolutionary Programming. Washington：IEEE Press, 1998：591600. 6 Shi Yuhui, Eberhart R. Empirical Study of Particle Swarm OptimizationC/Proceedings of the Congress on Evolutionary Computation. Washington：IEEE Press,1998：1

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