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高频链中高频变压器的分析与设计

发布时间:2020-07-21 18:33:57 阅读: 来源:锯床厂家

摘要:高频链逆变技术用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器,大大减小了逆变器的体积和重量。在高频链的硬件电路设计中,高频变压器是重要的一环。叙述了高频变压器的设计过程。实验结果证明该设计满足要求。

本文引用地址:关键词:高频链;高频变压器;逆变器

0 引言

MESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大的不同,在于利用高频变压器实现了输入与输出的电气隔离,减小了变压器的体积和重量。近年来,高频链技术引起人们越来越多的兴趣。

1 概述

图1是传统的逆变器框图。其缺点是采用了笨重庞大的工频变压器和滤波电感,导致效率低,噪音大,可靠性差。另外,谐波含量大,波形畸变严重,与要求的优质正弦波相差甚远。

图1 传统的逆变器

图2所示为电压源高频链逆变器的框图,该方案是当今研究的最先进方案,也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的优点,诸如,以小型的高频变压器替代工频变压器;只有两级功率变换;正弦波质量高;控制灵活等。高频变压器是高频链的核心部件,肩负着隔离和传输功率的重任,其性能好坏直接决定逆变器的性能好坏。不合格的变压器温升高,效率低,漏感严重,输出波形畸变大,直接影响电路的稳定性和可靠性,甚至损坏开关器件,导致实验失败。

图2 电压源高频链逆变器

2 高频变压器的设计

设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料,它有较高磁导率,低的矫顽力,高的电阻率。磁导率高,在一定线圈匝数时,通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压,因此,在输出一定功率要求下,可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低,磁滞面积小,则铁耗也少。高的电阻率,则涡流小,铁耗小。各种磁芯物理性能及价格比如表1所列。铁氧体材料是复合氧化物烧结体,电阻率很高,适合高频下使用,但Bs值比较小,常使用在开关电源中。本文采用的就是铁氧体材料。

表1 各种磁芯特性比较表 磁芯类型 非晶合金 薄硅钢片 坡莫合金 铁氧体 铁损 低 高 中 低 磁导率 高 低 高 中 饱和磁密 高 高 中 低 温度影响 中 小 小 中 加工 难 易 易 易 价格 中 低 中 低

高频变压器的设计通常采用两种方法:第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP(AP=AW×Ae,称磁芯面积乘积),根据AP值,查表找出所需磁性材料之编号;第二种是先求出几何参数,查表找出磁芯编号,再进行设计。本文详细讨论如何用AP法设计高频变压器。

原边NP匝,副边Ns匝的变压器,在NP匝上以电压V1开关工作时,根据法拉第定律,有

V1=KffsNPBWAe(1)

式中:Kf为波形系数,即有效值和平均值之比,正弦波为4.44,方波为4;

fs为工作频率;

BW为工作磁通密度。

NP= (2)

铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数Ko(一般取0.4)为有效面积,该面积为原边绕组NP占据的窗口面积NPAP′与副边绕组Ns占据的窗口面积NsAs′之和,即

KoAW=NPAP′+NsAs′(3)

式中:AP′及As′分别为原、副边绕组每匝的截面积。

每匝所占用面积与流过该匝的电流值I和电流密度J有关,如式(4)所示。

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