【導(dǎo)讀】開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一,減小它的發(fā)熱量,不僅可以提高功率管的可靠性,而且可以提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性,提高平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)。
概述
開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一,減小它的發(fā)熱量,不僅可以提高功率管的可靠性,而且可以提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性,提高平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)。開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的,開(kāi)關(guān)管的損耗由開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成,減小通態(tài)損耗可以通過(guò)選用低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減小通態(tài)損耗;開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗是由于柵電荷大小及開(kāi)關(guān)時(shí)間引起的,減小開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗可以選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少。
但更為重要的是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減小損耗,如采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù),可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量,對(duì)交流整流及緩沖二極管,一般情況下不會(huì)有更好的控制技術(shù)來(lái)減小損耗,可以通過(guò)選擇高質(zhì)量的二極管來(lái)減小損耗。對(duì)于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來(lái)減小損耗。對(duì)于高頻磁性材料引起的損耗,要盡量避免趨膚效應(yīng),對(duì)于趨膚效應(yīng)造成的影響,可采用多股細(xì)漆包線并繞的辦法來(lái)解決。
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(jī)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:10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、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,又有送功率的差別,工作頻率不同檔次的電源變壓器設(shè)計(jì)方法不一樣.
高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則
重性能和效率,有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本?,F(xiàn)在,輕、薄、短、小,成為高頻電源的發(fā)展方向,是強(qiáng)調(diào)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。所以高頻電源變壓器的“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”,性能,成本,如果能認(rèn)真考慮一下高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)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(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出更輕、薄、短、小的方案來(lái)。市場(chǎng)的價(jià)值規(guī)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。要“節(jié)能又節(jié)錢”
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(shè)計(jì)成本。因此,為了節(jié)約時(shí)間,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)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(shù)據(jù),對(duì)窗口填充程度,繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案,不要按步就班地來(lái)回進(jìn)行推算和仿真。設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否實(shí)應(yīng)住市場(chǎng).
高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求
以設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn),可以對(duì)高頻電源變壓器提出4項(xiàng)設(shè)計(jì)要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本。
1、使用條件
使用條件包括兩方面內(nèi)容:可靠性和電磁兼容性。
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(duì)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(duì)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(dǎo)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(shù)據(jù)。
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(dāng)于A級(jí)絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件,一般都采用E級(jí)和B級(jí)絕緣材料,采用H級(jí)絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜,成本增加,是不是因?yàn)镠級(jí)絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,可以使體積減少1/2~1/3的緣故?本來(lái)體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器,如次級(jí)繞組采用三重絕緣線,能把體積減小1/2~1/3。
電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對(duì)外界的電磁干擾,又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括音頻噪聲和高頻噪聲。高頻電源高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導(dǎo)線之間的斥力。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。10W以下單片開(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz~20kHz,一定有其原因。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。
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(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施,只加外屏蔽帶并不一定是最佳方案,因?yàn)樗荒茏柚馆椛涓蓴_,不能阻止傳導(dǎo)干擾。
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(yīng)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=Bm-Br。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(dǎo)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?chǔ)存起來(lái),然后通過(guò)去磁使副繞組感應(yīng)電壓,變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率決定于電感磁芯儲(chǔ)能,而儲(chǔ)能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān),磁導(dǎo)率高,電感量大,儲(chǔ)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(shù)不一樣,但是在高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中,磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。電壓變換通過(guò)原邊和副邊繞組匝數(shù)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(shù)比,只要不改變?cè)褦?shù)比,就不影響電壓變換。但是,繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān)。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比。“對(duì)于一符合絕緣及安全標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器,其漏感量應(yīng)為次級(jí)開(kāi)路時(shí)初級(jí)電感量的1%~3%:“在很多技術(shù)單上,標(biāo)注著漏感=1%的磁化電感或漏感<2%的磁化電感等類似的技術(shù)要求。
電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求,對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制。在制作變壓器的過(guò)程中,應(yīng)在不使變壓器的其他參數(shù)(如匝間電容等)變差的情況下盡可能減小漏感值。就是盡可能減小漏感值。因?yàn)槁└兄荡?,?chǔ)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(duì)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)有下限,使漏感也有下限??傊?,在高頻電源變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要統(tǒng)籌考慮漏感和絕緣強(qiáng)度問(wèn)題。
3、提高效率
提高效率是對(duì)電源和電子設(shè)備的普遍要求。提高高頻電源變壓器效率,可以節(jié)約電力。又具有環(huán)境保護(hù)的雙重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此,提高效率是高頻電源變壓器一個(gè)主要的設(shè)計(jì)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(shù)越多,銅損越大。因此在50Hz工頻下,銅損遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。隨著工作頻率升高,繞組匝數(shù)減少,雖然由于趨表效應(yīng)和鄰近效應(yīng)存在而使繞組損耗增加,但是總的趨勢(shì)是銅損隨著工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗,隨著工作頻率升高而迅速增大。
在某一段工作頻率,有可能出現(xiàn)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.導(dǎo)線粗細(xì)的選擇,雖然受趨表效應(yīng)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(xì)的漆包線作為繞組,反而會(huì)增加銅損,延緩銅損的下降趨勢(shì)。說(shuō)不定在設(shè)計(jì)選定的工作頻率下,還有可能出現(xiàn)銅損等于鐵損的情況。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?yàn)殍F損是高頻電源變壓器損耗的主要部分,因此根據(jù)鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。鐵損也成為評(píng)價(jià)軟磁芯材料的一個(gè)主要參數(shù)。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(hào)表示時(shí),也必須標(biāo)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(duì)溫度變化比較敏感,在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中都要列出25℃至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標(biāo)準(zhǔn)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。
新的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1,PW2,PW3,PW4,PW5等5類,性能因子越高的,工作頻率越高,極限頻率也越高。例如,PW3類軟磁鐵氧體材料,工作頻率為100kHz,極限頻率為300kHz,性能因子B×f為10000mT×kHz,即在100mT(0.1T)和100kHz下,100℃時(shí)損耗a級(jí)≤300kW/m(300mW/cm3),b級(jí)≤150kW/m3(150mW/cm3)。
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(nèi),銅損也不能忽視,也應(yīng)當(dāng)考慮采取措施來(lái)減少銅損。由于原繞組和副繞組承擔(dān)的功率相近,往往在設(shè)計(jì)中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損,以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程,不能只強(qiáng)調(diào)依溫升來(lái)設(shè)計(jì)高頻電源變壓器,由于熱阻不容易準(zhǔn)確確定,設(shè)計(jì)計(jì)算相當(dāng)麻煩。因此,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,有時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先推薦一些原則和數(shù)據(jù)是必要的。同樣,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)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/mm2~3A/mm2。應(yīng)當(dāng)看到:實(shí)現(xiàn)高頻電源變壓器設(shè)計(jì)要求的方法并不限于一種,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多種多樣的探索.
4、降低成本
降低成本是高頻電源變壓器的一個(gè)主要設(shè)計(jì)要求,有時(shí)甚至是決定性的要求。高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品,和其他商品一樣,都面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)容包括性能和成本兩個(gè)方面,缺一不可。不注意降低成本,往往會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。高頻電源變壓器的成本包括材料成本,制造成本和管理成本。設(shè)計(jì)是高頻電源變壓器降低成本的主要手段。
高頻電源變壓器所用的材料和零部件的貴*和數(shù)量的多少?是否方便采購(gòu)?是否要備有多少庫(kù)存量?磁芯,線圈和總體結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝復(fù)雜還是簡(jiǎn)單?需要人工占的比例多大(實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化,可以減少人工工時(shí),更能保證產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量)?是否需要工模具?質(zhì)量控制中需要檢測(cè)的工序和參數(shù):哪些參數(shù)要在加工過(guò)程中檢測(cè)?哪些參數(shù)要在出廠試驗(yàn)中檢測(cè)(出廠試驗(yàn)的參數(shù)應(yīng)選擇能決定性能的關(guān)鍵參數(shù),數(shù)量不要多,以便能即時(shí)判斷產(chǎn)品質(zhì)量。)?哪些參數(shù)要在型式試驗(yàn)中檢測(cè)?要用什么檢測(cè)儀器和設(shè)備,價(jià)格如何?等等,都是由設(shè)計(jì)來(lái)決定的。
因此,高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)者除了要了解高頻電源變壓器的理論和設(shè)計(jì)方法而外,還要了解各種軟磁材料和磁芯的性能和價(jià)格,各種電磁線的性能和價(jià)格,各種絕緣材料的性能和價(jià)格;還要了解磁芯加工熱處理工藝,線圈繞制和絕緣處理工藝及變壓器組裝工藝;還要了解實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測(cè)參數(shù)和儀器設(shè)備;還要了解生產(chǎn)管理的基本知識(shí)以及高頻電源變壓器的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)等等。只有知識(shí)全面的設(shè)計(jì)者,才能設(shè)計(jì)出性能好,成本低的高頻電源變壓器產(chǎn)品。降低成本是促進(jìn)高頻電源變壓器技術(shù)發(fā)展的一種推動(dòng)力。
為什么輕、薄、短、小成為高頻電源變壓器的發(fā)展方向?原因之一是這樣既能降低材料成本,又能降低制造成本。提高工作頻率,可以使高頻電源變壓器的重量和體積下降。但是,要克服高頻帶來(lái)的負(fù)面影響,必須采用新的軟磁材料和導(dǎo)電材料并增加抑制高頻電磁干擾的措施,因此,對(duì)具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟選用多高的工作頻率?要在綜合考慮性能和總體成本后決定。提高效率,降低損耗發(fā)生的熱量,可以減少高頻電源變壓器散熱的表面積,從而使體積和重量下降。但是,降低損耗必須采用新材料和新工藝。因此,對(duì)具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟達(dá)到多高的效率?也要在綜合考慮性能和總體成本后決定。
高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)程序
高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)程序,包括磁芯材料,磁芯結(jié)構(gòu),磁芯參數(shù),線圈參數(shù),組裝結(jié)構(gòu)和溫升校核等內(nèi)容。下面分別進(jìn)行討論。
磁芯材料
根據(jù)高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求,選擇軟磁材料本來(lái)應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)程序的第一項(xiàng)。但是,現(xiàn)在一般都認(rèn)為高頻電源變壓器應(yīng)當(dāng)選擇軟磁鐵氧體,是自然而然的事情。許多有關(guān)高頻電源變壓器的論文,專著和教材,只針對(duì)軟磁鐵氧體進(jìn)行討論,而對(duì)其他軟磁材料有時(shí)說(shuō)明一下,有時(shí)只字不提。
而且究竟選擇哪一類軟磁鐵氧體,也不加以說(shuō)明,好象大家都知道。和任何軟磁磁芯材料一樣,軟磁鐵氧體有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小,價(jià)格便宜,易加工成各種形狀的磁芯。
缺點(diǎn)是工作磁通密度低,磁導(dǎo)率不高,磁致伸縮大,對(duì)溫度變化比較敏感。因此,有些高頻電源變壓器并不適合選擇軟磁鐵氧體。例如,工作頻率比較低(50kHz以下),功率比較大的高頻電源變壓器,如果選擇軟磁鐵氧體,由于工作磁通密度低,用材料多,磁芯體積大,加工困難,易碎,成品率不高,顯不出價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)。
又例如,工作頻率高(500kHz以上),功率比較小的高頻電源變壓器,磁芯重量和體積本來(lái)都小,如果選擇軟磁鐵氧體,必須用PW4、PW5類材料,價(jià)格也不便宜,與其他軟磁材料相比,磁芯價(jià)格基本相當(dāng),有時(shí)反而由于體積大,而處于不利地位。即使在適合于軟磁鐵氧體的工作頻率范圍內(nèi),也要對(duì)選擇哪一類軟磁鐵氧體更能全面滿足高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行認(rèn)真考慮,才可以使設(shè)計(jì)出來(lái)的高頻電源變壓器達(dá)到比較理想的性能價(jià)格比。
磁芯結(jié)構(gòu)
高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中選擇磁芯結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的因素有:降低漏磁和漏感,增加線圈散熱面積,有利于屏蔽,線圈繞線容易,裝配接線方便等。漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。如果磁芯不需要?dú)庀?,則盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯,特別是工作頻率高的電源變壓器,因?yàn)?,有一點(diǎn)漏感,就容易產(chǎn)生比較大的漏阻抗。封閉磁芯的磁通基本上集中在磁芯里面,漏磁小。同時(shí),不論外界干擾磁場(chǎng)從哪個(gè)方向侵入,都在磁芯中分為兩個(gè)方向通過(guò),產(chǎn)生的干擾互相抵消。
但是,封閉磁芯繞線困難,且環(huán)形磁芯散熱要通過(guò)線圈,而且內(nèi)層引出線也要穿過(guò)線圈引出,故必須加強(qiáng)絕緣。不封閉磁芯繞線容易,磁芯散熱面大,可直接散熱,引出線也容易。裝線圈的磁路部分為圓柱形截面,減少平均匝長(zhǎng),降低損耗。
矮胖圓柱形磁芯的漏磁和漏感比瘦高圓柱形磁芯大,一個(gè)原因是胖,圓柱形大,漏磁輻射面大;另一個(gè)原因是矮,上下兩磁軛距離近,容易形成漏磁通的路徑。不封閉磁芯中的氣隙大小和位置與漏磁和漏感有密切關(guān)系。在保證完成功能所需的氣隙條件下,盡可能減少氣隙尺寸。因?yàn)椋瑲庀冻叽缭龃?,不但增加漏磁和漏感,還減少等值磁導(dǎo)率,增加激磁功率,對(duì)高頻電源變壓器工作不利。
另外,氣隙的位置最好處于線圈的中間部位,可以起到減少氣隙漏磁通的作用。窗口面積的大小與線圈發(fā)熱損耗和散熱面積有關(guān)。窗口面積大,繞的電磁線截面大,電阻小,損耗小,發(fā)熱小。同時(shí),線圈外形尺寸大,散熱面積也大。一般在留足工藝需要的窗口面積以后,希望盡可能把窗口面積繞滿。如果不能充分利用窗口面積,將會(huì)造成磁芯尺寸和變壓器外形尺寸不必要的增大,有可能要增加材料成本。因此,在高頻電源變壓器磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,對(duì)窗口面積的大小,要綜合考慮各種因素后來(lái)決定。線圈和磁芯既然不是一個(gè)整體,必須分別用夾件固緊,才能保證各自的機(jī)械穩(wěn)定性。
同時(shí),為了保證足夠的絕緣距離,線圈兩端和繞組之間都必須留有氣隙,不可能用繞組填滿整個(gè)窗口。為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾,有些磁芯結(jié)構(gòu)在窗口外面有封閉和半封閉的外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好,但散熱和接線不方便,必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼,封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用,不封閉的地方用于接線和散熱。窗口完全開(kāi)放,接線和散熱方便,屏蔽電磁干擾作用差。
磁芯參數(shù)
高頻電源變壓器磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中,要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制,還要受損耗的限制,同時(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān)。對(duì)變壓器功率傳送方式的磁通單方向變化工作模式,ΔB=Bm-Br,既受飽和磁通密度限制,又更主要地是受損耗限制。但是單方向變化的高頻電源變壓器工作時(shí),沿局部磁滯回線來(lái)回變化,磁芯損耗比雙方向變化沿大的磁滯回線來(lái)回變化小,只有它的30%~40%。而材料測(cè)試時(shí)是按正弦波雙向激磁條件下變化的ΔB為2Bm進(jìn)行的。
因此,Bm可以取材料測(cè)試損耗值時(shí),選取的B值高一倍以上。Br受材料磁滯回線上的Br限制,可以用開(kāi)氣隙的辦法來(lái)降低Br,以增大磁通密度變化值ΔB。雖然開(kāi)氣隙后,激磁電流有所增加,但增大ΔB后可以減少磁芯體積,還是值得的。
對(duì)變壓器功率傳送方式磁通雙方向變化工作模式,ΔB=2Bm,工作的磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多,損耗也大得多,Bm主要受損耗限制,在雙方向變化工作模式中,還要注意由于各種原因造成激磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等,而出現(xiàn)直流偏磁問(wèn)題。可以在磁芯磁路中加一個(gè)小氣隙,或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容,或者采用電流型控制來(lái)解決。
對(duì)電感器功率傳送方式,磁導(dǎo)率是有氣隙后的等值磁導(dǎo)率,一般都比磁化曲線測(cè)出的磁導(dǎo)率小??梢栽诖_定磁芯結(jié)構(gòu)后,直接測(cè)試它邊線圈參數(shù)高頻電源變壓器設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)包括:匝數(shù),導(dǎo)線截面(直徑),導(dǎo)線形式,繞組排列和絕緣安排。原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲(chǔ)存能量)來(lái)決定,匝數(shù)不能過(guò)多,也不能過(guò)少。如果匝數(shù)過(guò)多,會(huì)增加漏感和繞線工時(shí);如果匝數(shù)過(guò)少,在外加激磁電壓比較高時(shí),有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大,而必須加強(qiáng)絕緣。副繞組匝數(shù)由輸出電壓決定。
高頻電源變壓器主要用于高頻開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整上限受允許的開(kāi)關(guān)占空比限制。在從要求的負(fù)載電壓計(jì)算變壓器輸出電壓時(shí),應(yīng)考慮開(kāi)關(guān)占空比,串聯(lián)二極管壓降和變壓器的內(nèi)阻抗壓降。
導(dǎo)線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。繞組損耗(銅損)占總損耗比例比較大時(shí),推薦電流密度取2~4A/mm2,銅損占總損耗比例比較小時(shí),推薦電流密度取8~12A/mm2,但是,要經(jīng)過(guò)變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整。還要注意的是導(dǎo)線截面(直徑)的大小還與漏感有關(guān)。在同樣匝數(shù)下,導(dǎo)線截面直徑增加,內(nèi)層排列的匝數(shù)減少,層數(shù)增加。而漏磁場(chǎng)分布*近磁芯的內(nèi)層大,外層小,與磁芯距離平方成反比例地衰減。這樣,漏磁通大的內(nèi)層交鏈的匝數(shù)減少?gòu)亩孤└邢陆怠?/div>
1)如果原繞組電壓高(例如220V),副繞組電壓低,可以采用副繞組*近磁芯,接著繞反饋繞組,原繞組在最外層的繞組排列形式,這樣有利于原繞組對(duì)磁芯的絕緣安排;
2)如果要增加原和副繞組之間耦合,可以采用一半原繞組靠近磁芯,接著繞反饋繞組和副繞組,最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式,這樣有利于減少漏感。
絕緣安排首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級(jí),要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級(jí)低,滿足不了耐熱要求,等級(jí)過(guò)高,會(huì)增加不必要的材料成本。其次,對(duì)在圓柱形磁路上繞線的線圈,最好采用線圈骨架,既可以保證絕緣,又可以簡(jiǎn)化繞線工藝。還有,線圈最外層和最里層,高壓和低壓繞組之間都要加強(qiáng)絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜,加強(qiáng)絕緣應(yīng)墊2~3層絕緣薄膜。
組裝結(jié)構(gòu)
高頻電源變壓器組裝結(jié)構(gòu)分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯,都采用臥式組裝結(jié)構(gòu),上下表面比較大,有利于散熱或者附加散熱器,高度低,有利于安裝在印刷電路板上。組裝結(jié)構(gòu)中采用的夾件和接線端子等盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件,以便于外協(xié)加工,降低成本。
溫升校核
溫升校核可以通過(guò)計(jì)算和樣品測(cè)試來(lái)進(jìn)行。一般通過(guò)樣品試驗(yàn)進(jìn)行溫升核算的比較多一些。如果樣品試驗(yàn)溫升不超過(guò)允許溫升,可以通過(guò)。但是試驗(yàn)溫升低于允許溫升15℃以上,要對(duì)繞組的電流密度和導(dǎo)線截面進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)增加電流密度和減少導(dǎo)線截面。如果樣品試驗(yàn)溫升超過(guò)允許溫升,則要對(duì)繞組的電流密度和導(dǎo)線截面進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)減少電流密度和增加導(dǎo)線截面。如果增加導(dǎo)線截面,窗口繞不下,要增加磁芯尺寸。如果樣品試驗(yàn)磁芯溫升超過(guò)允許溫升,則要增加磁芯的散熱面積,加大磁芯。
高頻電源變壓器隨著工作頻率的提高,設(shè)計(jì)不斷發(fā)生變化,不斷出現(xiàn)新的軟磁材料,新的磁芯結(jié)構(gòu),新的導(dǎo)線材料和絕緣材料,新的線圈結(jié)構(gòu)和組裝結(jié)構(gòu)等等,不斷出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)方法。 高頻電源變壓器設(shè)計(jì)也有目標(biāo),設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)原則,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。
高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)方法也不只一種。不管采用哪一種設(shè)計(jì)方法,只要能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)原則,則該種設(shè)計(jì)方法就不能說(shuō)是概念錯(cuò)誤的。