高频链中高频变压器的分析与设计

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。

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B_s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

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A_W与磁芯有效截面积Ae的乘积A_P（A_P=A_W×A_e，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A_P法设计高频变压器。

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

V₁=K_ff_sN_PB_WA_e（1）

式中：K_f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；

f_s为工作频率；

B_W为工作磁通密度。

N_P= (2)

铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数K_o（一般取0.4）为有效面积，该面积为原边绕组N_P占据的窗口面积N_PA_P′与副边绕组N_s占据的窗口面积N_sA_s′之和，即

K_oA_W=N_PA_P′＋N_sA_s′（3）

式中：A_P′及A_s′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。

A_P′=

A_s′=(4)

将式（4）代入式（3），则得

K_oA_W=＋

即 A_WA_e= (5)

电流密度J直接影响到温升，亦影响到A_WA_e，其关系可用式（6）表示。

J=K_J(A_WA_e)^X(6)

式中：K_J为电流密度系数；X为常数，由所用磁芯确定。

若变压器的视在功率P_T=V₁I₁＋V₂I₂，则

A_WA_e=

即 A_P= (7)

式中：A_P单位为cm⁴，其余的单位为国际单位制。

视在功率随线路结构不同而不同。如图3所示。变压器效率为η，则在图3（a）中

P_T=P_o＋P_i=P_o＋=P_o

在图3（b）中

P_T=P_o

在图3（c）中

P_T=P_o本文采用图3（b）的结构，V_DC=24V，P_o=250W，设η=0.95，则

P_T=P_o≈617W

（a）二次桥式整流

（b）二次全波整流

（c）一次推挽二次半波整流

图3视在功率与线路结构关系

若采用E型磁芯，允许温升25℃，则有K_J=323，X=－0.14。饱和磁密约为0.35T，考虑到高温时饱和磁密会下降，同时，为了防止合闸瞬间高频变压器饱和，取饱和磁密的1/3为变压器的工作磁密，即B_W=0.117T。工作频率为20kHz，由式（7）可得

A_P=≈6.65（cm⁴）

取10％的裕度，即A_P=6.65×（1＋10％）≈7.28cm⁴，查手册选取E17铁氧体磁芯，其A_W=2.56cm²，A_e=3.80cm²，A_P=9.73cm⁴，满足要求。

确定磁芯材料后，则其他参数计算如下：

1）原边绕组匝数N_P

N_P=≈7匝；

2）原边电流I_P

I_P=≈10.96A；