反激式高頻變壓器的分析與設計

摘要：隨著反激式高頻鏈逆變器在小功率領域應用的不斷擴大，為了研究出其核心部件：反激式高頻變壓器有效實用的設計方式。在此結(jié)合了Ap法及電流密度經(jīng)驗公式，對于變壓器Ap值的確定方法進行了改進，通過設計實例，用詳實、具體的步驟揭示了高額變壓器設計、制作的復雜程序。最后，為了驗證設計效果，設計實例中的實驗品在250 VA反激式高頻鏈逆變器中進行了測試使用，測試結(jié)果表明設計的變壓器性能良好，設計方法清晰、明了。
關鍵詞：高頻鏈；高頻變壓器；反激式；氣隙

0 引言
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和應用領域的不斷擴大，傳統(tǒng)的工頻逆變器因存在變壓器體積過大、輸出濾波器笨重、容易產(chǎn)生音頻噪聲及系統(tǒng)的動態(tài)響應特性較差等缺點，已不能適應現(xiàn)代電源技術發(fā)展的潮流與需求，而高頻鏈逆變器則因為擁有高可靠性、高效率、高頻化、高功率密度、低損耗等特點，正在逐漸取代傳統(tǒng)的工頻逆變器，成為新一代逆變器的主流發(fā)展方向之一。
作為高頻鏈逆變器的核心部件，高頻變壓器同時具備傳輸能量、電氣隔離、儲能、升降壓等功能，其性能好壞，將直接決定整個逆變器性能的優(yōu)劣。在各類高頻變壓器的設計中，以反激變換器拓撲中的變壓器最復雜，而在小功率范圍內(nèi)，反激式高頻鏈逆變器的拓撲目前是綜合性能最好的拓撲結(jié)構(gòu)，因此，本文的研究重點將放在反激式高頻鏈逆變器的高頻變壓器的設計上。

1 反激式高頻鏈逆變器簡介
反激式(Flyback)高頻鏈逆變器又稱電流型高頻鏈逆變器，它是以反激變換器拓撲為基礎演變而來的，其電路拓撲如圖1所示。它由高頻逆變器、高頻變壓器和周波變換器組成，其中高頻變壓器不僅提供電氣隔離和電壓調(diào)整而且還可以存儲能量，因此可以省掉輸出濾波電感。相比于其它結(jié)構(gòu)的高頻鏈逆變器，反激變換器的電流源高頻鏈逆變器具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單、能量雙向流動、控制易于實現(xiàn)、無電壓過沖問題等優(yōu)點。

針對反激式高頻鏈逆變器的高頻變壓器設計需要注意以下2點：
(1)反激型電路工作于電流斷續(xù)模式時，變壓器的磁芯利用率較高，故在設計反激型變壓器時，應根據(jù)DCM模式下的公式去計算原副邊電壓比；
(2)在設計反激型電路的變壓器時，必須設計足夠的磁芯氣隙來防止磁芯飽和狀態(tài)并平衡直流成分。

2 變壓器設計分析
2．1 磁芯材料
設計高頻變壓器首先從選擇磁芯材料開始，高頻開關電源的變壓器磁芯大多是在低磁場下使用的軟磁材料，具有較高的磁導率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導率高，在一定線圈匝數(shù)時，通過不大的激磁電流就能夠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較如表1所示。鐵氧體材料是復合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但飽和磁通比較小。本文設計就采用鐵氧體材料。