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高頻變壓器的設計基礎

文字:[大][中][小] 2016/2/26     瀏覽次數:    

  設計高頻變壓器首先應該從磁芯開始。開關電源變壓器磁芯多是在低磁場下使用的軟磁材料,它有較高磁導率,低的矯頑力,高的電阻率。磁導率高,在一定線圈匝數時,通過不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓,因此,在輸出一定功率要求下,可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低,磁滯面積小,則鐵耗也少。高的電阻率,則渦流小,鐵耗小。鐵氧體材料是復合氧化物燒結體,電阻率很高,適合高頻下使用,但Bs值比較小,常使用在開關電源中。


  高頻鏈逆變技術用高頻變壓器代替傳統逆變器中笨重的工頻變壓器,大大減小了逆變器的體積和重量。在高頻鏈的硬件電路設計中,高頻變壓器是重要的一環。

  高頻變壓器的設計通常采用兩種方法[3]:第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP(AP=AW×Ae,稱磁芯面積乘積),根據AP值,查表找出所需磁性材料之編號;第二種是先求出幾何參數,查表找出磁芯編號,再進行設計。

  注意:

  1)設計中,在最大輸出功率時,磁芯中的磁感應強度不應達到飽和,以免在大信號時產生失真。

  2)在瞬變過程中,高頻鏈漏感和分布電容會引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩,使損耗增加,嚴重時會造成開關管損壞。同時,輸出繞組匝數多,層數多時,應考慮分布電容的影響,降低分布電容有利于抑制高頻信號對負載的干擾。對同一變壓器同時減少分布電容和漏感是困難的,應根據不同的工作要求,保證合適的電容和電感。

  單片開關電源高頻變壓器的設計要點

  高頻變壓器是單片開關電源的核心部件,鑒于這種高頻變壓器在設計上有其特殊性,為此專門闡述降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法,可供高頻變壓器設計人員參考。

  單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優點,能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源。在1994~2001年,國際上陸續推出了TOtch、TOtch-Ⅱ、TOtch-FX、TOtch-GX、Tintch、Tintch-Ⅱ等多種系列的單片開關電源產品,現已成為開發中、小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優選集成電路。

  高頻變壓器是開關電源中進行能量儲存與傳輸的重要部件,單片開關電源中高頻變壓器性能的優劣,不僅對電源效率有較大的影響,而且直接關系到電源的其它技術指標和電磁兼容性(EMC)。為此,一個高效率高頻變壓器應具備直流損耗和交流損耗低、漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小等條件

  高頻變壓器的直流損耗是由線圈的銅損耗造成的。為提高效率,應盡量選擇較粗的導線,并取電流密度J=4~10A/mm2。

  高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導線時總是趨向于從表面流過,這會使導線的有效流通面積減小,并使導線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。高頻電流對導體的穿透能力與開關頻率的平方根成反比,為減小交流銅阻抗,導線半徑不得超過高頻電流可達深度的2倍。可供選用的導線線徑與開關頻率的關系曲線如圖1所示。舉例說明,當f=100kHz時,導線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應,實際可用更細的導線多股并繞,而不用一根粗導線繞制。

  在設計高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因為漏感愈大,產生的尖峰電壓幅度愈高,漏極鉗位電路的損耗就愈大,這必然導致電源效率降低。對于一個符合絕緣及安全性標準的高頻變壓器,其漏感量應為次級開路時初級電感量的1%~3%。要想達到1%以下的指標,在制造工藝上將難于實現。減小漏感時可采取以下措施:

  減小初級繞組的匝數NP;

  增大繞組的寬度(例如選EE型磁芯,以增加骨架寬度b);

  增加繞組的高、寬比;

  減小各繞組之間的絕緣層;

  增加繞組之間的耦合程度。

  電源高頻變壓器的設計方法

  設計高頻變壓器是電源設計過程中的難點,下面以反饋式電流不連續電源高頻變壓器為例, 介紹一種電源高頻變壓器的設計方法。

  設計目標:電源輸入交流電壓在180V~260V之間,頻率為50Hz,輸出電壓為直流5V、14A,功率為70W,電源工作頻率為30KHz。

  設計步驟:

  1、計算高頻變壓器初級峰值電流Ipp

  2、求最小工作周期系數Dmin

  3、計算高頻變壓器的初級電感值Lp

  4、計算出繞組面積Aw和鐵心有效面積Ae的乘積Aw*Ae,選擇鐵心尺寸。

  5、計算空氣間隙長度Lg

  6、計算變壓器初級線圈Np

  7、計算變壓器次級線圈Ns

  高頻變壓器:整流、變壓

  在傳統的高頻變壓器設計中,由于磁心材料的限制,其工作頻率較低,一般在20kHz左右。隨著電源技術的不斷發展,電源系統的小型化,高頻化和高功率比已成為一個永恒的研究方向和發展趨勢。因此,研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積,提高電源輸出功率比的關鍵因素。

  作為開關電源最主要的組成部分,高頻變壓器相對于傳統的工頻變壓器有以下優點:利用鐵氧體材料制成的高頻變壓器具有轉換效率高、體積小巧的特點;而傳統的工頻變壓器工作在50Hz下,輸出相同功率時需要較大的截面積而導致變壓器體積龐大,不利于電源的小型化設計,而且電源轉換效率也低于開關電源。

  電腦使用的開關電源一般采用半橋式功率轉換電路,工作時兩個開關三極管輪流導通來產生100kHz的高頻脈沖波,然后通過高頻變壓器進行降壓,輸出低電壓的交流電。在這個電路中,開關管的最大電流對電源輸出功率的大小有一定的限制(通常應用于300W電源的MOS管體積較大,有的電源甚至使用了耐流達到10A的開關管),而高頻變壓器各個繞組線圈的匝數比例則決定了輸出電壓的多少,由于工作在很高的頻率下,對元件質量的要求和線路的搭配有很高的要求。

  抑制高頻變壓器的音頻噪聲

  高頻變壓器EE或EI型磁芯之間的吸引力,能使兩個磁芯發生位移;繞組電流相互間的引力或斥力,也能使線圈產生偏移。 此外, 受機械振動時能導致周期性的形變。上述因素均會使高頻變壓器在工作時發出音頻噪聲。10W以下單片開關電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz~20kHz。

  為防止磁芯之間產生相對位移,通常以環氧樹脂作膠合劑,將兩個磁芯的3個接觸面(含中心柱)進行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因為這無法將音頻噪聲減至最低,況且膠合劑過多,磁芯在受機械應力時還容易折斷。國外最近采用一種特殊的“玻璃珠”(glass beads)膠合劑,來粘合EE、EI等類型的鐵氧體磁芯,效果甚佳。這種膠合劑是把玻璃珠和膠著物按照1:9的比例配制而成的混合物,它在100℃以上的溫度環境中放置1h即可固化。其作用與滾珠軸承有某種相似之處,固化后每個磁芯仍能獨立地在小范圍內產生形變或移位,而總體位置不變,這就對形變起到了抑制作用。用玻璃珠膠合劑粘接的高頻變壓器內部。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5dB。

  高頻變壓器的屏蔽

  為防止高頻變壓器的泄漏磁場對相鄰電路造成干擾,可把一銅片環繞在變壓器外部,該屏蔽帶相當于短路環,能對泄漏磁場起到抑制作用,屏蔽帶應與地接通。

  基本知識

  將兩個線圈靠近放在一起,當一個線圈線中的電流變化時,穿過另一線圈的磁通會發生相應的變化,從而使該線圈中出現感應電勢,這就是互感現象。變壓器就是根據互感原理制成的。

  按工作頻率分,有高頻變壓器、中頻變壓器、低頻變壓器、脈沖變壓器。如收音機的磁性天線,它是高頻;在收音機的中頻放大級,用的是中頻的,俗稱“中周”;低頻的種類較多,有電源變壓器、輸入變壓器等;電視機的行輸出變壓器,也稱“高壓包”,它是一種脈沖變壓器。

  變壓比、額定功率、溫升、效率、空載電流、絕緣電阻均為其主要技術參數。

  在電路中電壓變換、電流變換、傳遞功率、阻抗匹配、或阻抗變換等用途。

  電子變壓器在電源技術中的作用

  作用

  電子變壓器和半導體開關器件,半導體整流器件,電容器一起,稱為電源裝置中的4大主要元器件。它在電源裝置中的作用:

  起電壓和功率變換作用;

  起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號作用;

  起傳遞脈沖、驅動和觸發信號作用;

  起原邊和副邊絕緣隔離作用;

  起單相變三相或三相變單相作用,起改變輸出相位作用;

  起改變輸出頻率作用;

  起改變輸出阻抗與負載阻抗相匹配作用;

  起穩定輸出電壓或電流作用,起調節輸出電壓作用;

  起交流和直流濾波作用;

  起抑制電磁干擾作用,起抑制噪聲作用;

  起吸收浪涌電流作用,減緩電流變化速率;

  起儲能作用,起幫助半導體開關換向作用;

  起開關作用;

  起調節電感作用;

  起變換電壓、電流或脈沖檢測信號。

  從以上的列舉可以看出,不論是直流電源,交流電源,還是特種電源,都離不開電子變壓器。有人把電源界定為經過高頻開關變換的直流電源和交流電源。在介紹軟磁電磁元件在電源技術中的作用時,往往舉高頻開關電源中的各種電磁元件為例證。同時,在電子電源中使用的軟磁電磁元件中,各種變壓器占主要地位,因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表,稱它們為“電子變壓器”。

  繞制變壓器的材料

  要繞制一個變壓器我們必須對有關的材料要有一定的認識,下面為你提供了這方面的知識。

  1、鐵心材料:

  使用的鐵心材料主要有鐵片、低硅片,高硅片,的鋼片中加入硅能降低鋼片的導電性,增加電阻率,它可減少渦流,使其損耗減少。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片,變壓器的質量所用的硅鋼片的質量有很大的關系,硅鋼片的質量通常用磁通密度B來表示,一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000,高硅片為12000-16000。

  2、通常用的材料有

  漆包線,沙包線,絲包線,最常用的漆包線。對于導線的要求,是導電性能好,絕緣漆層有足夠耐熱性能,并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下最好用Q2型號的高強度的聚脂漆包線。

  3、絕緣材料

  在繞制過程中,線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離,均要使用絕緣材料,一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作,層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離,繞阻間可用黃臘布作隔離。

  4、浸漬材料:

  繞制好后,還要過最后一道工序,就是浸漬絕緣漆,它能增強變壓器的機械強度、提高絕緣性能、延長使用壽命,一般情況下,可采用甲酚清漆作為浸漬材料。

  高頻電源變壓器的設計原則

  高頻電源變壓器作為一種產品,自然帶有商品的屬性,因此其設計原則和其他商品一樣,是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重性能和效率,有時可能偏重價格和成本。現在,輕、薄、短、小,成為它的發展方向,是強調降低成本。其中成為一大難點的高頻電源變壓器,更需要在這方面下功夫。如果能認真考慮一下它的設計原則,追求更好的性能價格比,傳送不到10VA的單片開關電源高頻變壓器,應當設計出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本,市場的價值規律是無情的!許多性能好的產品,往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產品最后被成本否決。一些“節能不節錢”的產品為什么在市場上推廣不開值得大家深思。

  產品成本,不但包括材料成本,生產成本,還包括研發成本,設計成本。因此,為了節約時間,根據以往的經驗,對它的鐵損銅損比例、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據,對窗口填充程度,繞組導線和結構推薦一些方案,有什么不好?為什么一定要按步就班地來回進行推算和仿真,才不是概念錯誤?作者曾在20世紀80年代中開發高頻磁放大器式開關電源,以溫升最低為條件,對高頻電源變壓器進行過優化設計。由于熱阻難以確定,結果與試制樣品相差甚遠,不得不再次修正。現在有些公司的磁芯產品說明書中,為了縮短用戶設計的時間,有的列出簡化的設計公式,有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想,又推廣公司產品的雙贏行為,是完全符合市場規律的行為,絕不是什么需要辨析的錯誤概念。問題是提供的參考數據,推薦的方案是否是經驗的總結?有沒有普遍性?包括“辨析”一文中提出的一些說法,都需要經過實踐檢驗,才能站得住腳。

  總之,千萬記住:它是一種產品(即商品),設計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格比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產品能否經受住市場的考驗
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