高頻開關(guān)電源主要磁性元件的設(shè)計(jì)

1、高頻開關(guān)電源主要磁性元件的設(shè)計(jì)在電力直流系統(tǒng)中，因?yàn)槠毡椴杉{高頻模塊，對(duì)于高頻模塊的設(shè)計(jì)是功率越來越大，而體積卻是越來越小，這就對(duì)其設(shè)計(jì)提出了一個(gè)關(guān)鍵的問題，那就是如何解決磁性元件的損耗及發(fā)熱問題。高頻中大量用法各式各樣的磁性元件，如輸入輸出共模，功率，飽和電感以及各種差模電感。各種磁性元器件對(duì)磁性材料的要求各不相同，如差模電感希翼值適中，但線性度好，不易飽和；共模電感則希翼值要高，頻帶寬；功率變壓器則希翼值要適中，溫度穩(wěn)定好，剩磁小，損耗低等。在非晶材料浮現(xiàn)以前，共模電感主要采納高值(6k10k)mn-zn合金，差模電感多采納鐵粉芯或開氣隙鐵氧體材料，變壓器則采納鐵氧體材料等。這些材料應(yīng)用技

2、術(shù)成熟，種類也很豐盛，并有各式各樣的產(chǎn)品外形供挑選。隨著非晶材料的浮現(xiàn)和技術(shù)不斷成熟，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，非晶材料表現(xiàn)出許多其它材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。幾種常用磁性材料基本性能比較如表1。1 主變壓器的設(shè)計(jì)對(duì)于高頻開關(guān)電源的主要發(fā)熱元件，主變壓器的設(shè)計(jì)尤其重要，其尺寸的大小和材料的挑選更是重要。1)主變壓器的磁芯必需具備以下幾個(gè)特點(diǎn)(1)低損耗；(2)高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度且溫度系數(shù)小；(3)寬工作溫度范圍；(4)值隨b值變幻小；(5)與所選用功率器件開關(guān)速度相應(yīng)的頻響。早前高頻變壓器普通選用鐵氧體磁芯，下面向vitroperm500f鐵基超微晶磁芯與德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的n67系列鐵氧體磁芯的性能舉行較

3、，見圖1。從以上圖表可以看出兩者有以下區(qū)分：(1)相同工作頻率(200khz以下)，非晶材料損耗顯然低于鐵氧體，工作頻率越低，工作b值越高，非晶材料優(yōu)勢(shì)越顯然。但在250khz以上頻段，鐵氧體損耗要顯然低于非晶材料。(2)非晶材料損耗隨溫度變幻量大大低于鐵氧體，降低了變壓器熱設(shè)計(jì)的難度。(3)非晶材料導(dǎo)磁率隨溫度變幻量大大低于鐵氧體，降低了變壓器設(shè)計(jì)的難度，提高了電源運(yùn)行的穩(wěn)定性和牢靠性。(4)非晶材料bs值是鐵氧體的1015倍，意味著變壓器體積分量可以大幅減小。變壓器設(shè)計(jì)過程中，最困難的是熱設(shè)計(jì)，變壓器的產(chǎn)熱與多方面的因素有關(guān)，如磁芯損耗，銅損等。開關(guān)頻率增強(qiáng)，變壓器的發(fā)熱呈指數(shù)增強(qiáng)。若采納

4、鐵氧體磁芯，因?yàn)殍F氧體的居里點(diǎn)較低，需對(duì)變壓器磁芯作散熱處理，工藝制作比較復(fù)雜。若散熱處理不當(dāng)，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導(dǎo)致工作異樣。若采納非晶做變壓器，將工作b由4000高斯提高到100007葛斯，開關(guān)器件的工作頻率則可以降到100khz以下。非晶材料在16100khz頻率范圍內(nèi)，損耗bs值最低，相應(yīng)的變壓器匝數(shù)及體積最小，發(fā)熱量也較小，對(duì)提高整機(jī)效率，減小模塊電源的體積有巨大協(xié)助。在采納軟開關(guān)控制技術(shù)的前提下，可以充分發(fā)揮的低導(dǎo)通壓降，大，高耐壓的優(yōu)點(diǎn)，大幅度地提高電源的牢靠性。2 磁芯的挑選由于全橋變換器中的變壓器工作在雙端，對(duì)br的要求不是很嚴(yán)格，它需要的是2bm。但若選用高br的磁芯

5、，當(dāng)電源功率較大時(shí)，簡(jiǎn)單產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。為此，對(duì)于中、大功率的開關(guān)電源，主變壓器選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度bs高、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度b，低的磁芯。雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度bs高，但是因?yàn)殍F基非晶材料的工作頻率較低(選用鐵基超微晶環(huán)形鐵芯：onl1308040，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度bs=125t，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度br30000，最大磁導(dǎo)率m50000，損耗p(05t、20khz)(1)取設(shè)定工作時(shí)，最大工作磁密bm=05t，故全橋工作時(shí)b=1t(2)副邊匝數(shù)的計(jì)算(3)原副邊匝比的選取變壓器最小輸入u1=500v，副邊整流后最大輸出電壓u。=300v，設(shè)定最大占空比d=08，u2=u0d，得n1=13

6、(4)窗口利用率的計(jì)算變壓器輸入電流i1=30a，輸出電流i2=50a，均根據(jù)電流密度kj為25amm2設(shè)計(jì)；初級(jí)繞組截面積ar1=12mm2，次級(jí)繞組截面積ar2=20mm2窗口面積aw=50cm2。窗口利用率：因?yàn)殚_關(guān)頻率不算太高，變壓器的繞制采納多股漆包線并繞，外包抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙的方式，保證絕緣等級(jí)。2 輸出電感的設(shè)計(jì)1)對(duì)輸出濾波電感的磁芯主要要求有以下幾點(diǎn)：(1)溫度系數(shù)小，濾波電感的電感量隨時(shí)光的變幻率應(yīng)保持最小；(2)線性度好，在不同的工作電流下電感量的變幻?。?3)濾波電感的電損耗和磁損耗低。選用鐵基超微晶c d型切口鐵芯：jfq-07802501504

7、0，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度bs=125t，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度br2)磁芯的挑選(1)匝數(shù)、氣隙的計(jì)算設(shè)定工作時(shí)，最大工作磁密bm=08t，及最大峰值電流i=60a，電感量l=015mh電感定義式上式中，ac是鐵芯的有效截面積。磁路歐姆定律上式中，l0、lc是空氣隙和鐵芯的長(zhǎng)度，0、。是空氣和鐵芯的磁導(dǎo)率。由(5)式可得由(9)式可求得氣隙長(zhǎng)度(1)窗口利用率的計(jì)算濾波電感通過的最大平均電流為50a，根據(jù)電流密度kj為25amm2設(shè)計(jì)，繞組截面積a，=20mm2；窗口面積aw=195cm2。窗口利用率3 飽和電感的設(shè)計(jì)1)磁芯的挑選選用鈷基非晶環(huán)形鐵芯，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度bs=053t，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度br=05t，居里溫度210，磁導(dǎo)率=90000。形狀尺寸：外徑42mm，內(nèi)徑29mm，厚l8mm。磁芯有效截面積ac=082cm2。2)延遲開通時(shí)光的挑選按照zcs的要求挑選05s3)匝數(shù)的計(jì)算按照式中n為匝數(shù)，tb為延遲開通時(shí)光，bs為磁芯的飽和磁密，ac為磁芯的有效截面積，uls為加在飽和電感上的電壓，約等于udc。算得n=34)窗口利用率的計(jì)算飽和電感通過的最大平均電流為50a，根據(jù)電流密度kj為25amm