博眾達——高頻鏈中高頻變壓器的分析與設計
來源：小編 作者：小編 瀏覽 次 時間：2021-12-271、概述
圖1是傳統的逆變器框圖。其缺點是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感，導致效率低，噪音大，可靠性差。另外，諧波含量大，波形畸變嚴重，與要求的優質正弦波相差甚遠。
圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當今研究的最先進方案，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優點，諸如，以小型的高頻變壓器替代工頻變壓器;只有兩級功率變換;正弦波質量高;控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件，肩負著隔離和傳輸功率的重任，其性能好壞直接決定逆變器的性能好壞。不合格的變壓器溫升高，效率低，漏感嚴重，輸出波形畸變大，直接影響電路的穩定性和可靠性，甚至損壞開關器件，導致實驗失敗。
2、高頻變壓器的設計
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。各種磁芯物理性能及價格比如表1所列。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。本文采用的就是鐵氧體材料。
表1 各種磁芯特性比較表
高頻變壓器的設計通常采用兩種方法：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。博眾達小編跟大家詳細討論如何用AP法設計高頻變壓器。
原邊NP匝，副邊Ns匝的變壓器，在NP匝上以電壓V1開關工作時，根據法拉第定律，有
V1=KffsNPBWAe(1)
式中：Kf為波形系數，即有效值和平均值之比，正弦波為4.44，方波為4;
fs為工作頻率;
BW為工作磁通密度。
NP=
(2)
鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數Ko(一般取0.4)為有效面積，該面積為原邊繞組NP占據的窗口面積NPAP′與副邊繞組Ns占據的窗口面積NsAs′之和，即
KoAW=NPAP′+NsAs′(3)
式中：AP′及As′分別為原、副邊繞組每匝的截面積。
每匝所占用面積與流過該匝的電流值I和電流密度J有關，如式(4)所示。
AP′=
As′=
(4)
將式(4)代入式(3)，則得
KoAW=
+
即 AWAe=
(5)
電流密度J直接影響到溫升，亦影響到AWAe，其關系可用式(6)表示。
J=KJ(AWAe)X(6)
式中：KJ為電流密度系數;X為常數，由所用磁芯確定。
若變壓器的視在功率PT=V1I1+V2I2，則
AWAe=
即 AP=
(7)
式中：AP單位為cm4，其余的單位為國際單位制。
視在功率隨線路結構不同而不同。如圖3所示。變壓器效率為η，則在圖3(a)中
PT=Po+Pi=Po+
=Po
在圖3(b)中
PT=Po
在圖3(c)中
PT=Po
采用圖3(b)的結構，VDC=24V，Po=250W，設η=0.95，則
PT=Po
≈617W
若采用E型磁芯，允許溫升25℃，則有KJ=323，X=-0.14。飽和磁密約為0.35T，考慮到高溫時飽和磁密會下降，同時，為了防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，取飽和磁密的1/3為變壓器的工作磁密，即BW=0.117T。工作頻率為20kHz，由式(7)可得
AP=
≈6.65(cm4)
取10%的裕度，即AP=6.65×(1+10%)≈7.28cm4，查手冊選取E17鐵氧體磁芯，其AW=2.56cm2，Ae=3.80cm2，AP=9.73cm4，滿足要求。
確定磁芯材料后，則其他參數計算如下：
1)原邊繞組匝數NP
NP=
≈7匝;
2)原邊電流IP
IP=
≈10.96A;
3)電流密度J
J=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2;
4)原邊繞組裸線面積AXP
AXP=
≈0.04666cm2;
5)副邊繞組匝數Ns 逆變器工作時占空比D=0.75，幅值為
220V，則
Ns=
=120.99≈121匝
6)副邊繞組裸線面積AXS 注意中間抽頭變壓器Io須乘0.707的校正系數，則
AXS
=0.00342cm2。
3、實驗結果
實驗采用圖3(b)的結構，參數如下：
輸入電壓 DC24V;
開關頻率 20kHz;
占空比 D=0.75;
輸出電壓 AC220V;
輸出功率 250W;
輸出頻率 50Hz;
變壓器磁芯 E17鐵氧體磁芯;
原邊繞組匝數 7匝;
副邊繞組匝數 121匝。
該高頻鏈工作穩定可靠，噪聲很小，實驗結果證明該高頻變壓器滿足實際要求。
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。
3)本文采用的工作頻率為20kHz，由于工作頻率較高，趨膚效應影響比較大，因此，在設計時應注意趨膚效應引起的有效面積的減少。
