高頻開(kāi)關(guān)電源主要磁性元件的設(shè)計(jì)
引言
在電力直流系統(tǒng)中,由于普遍采用高頻模塊,對(duì)于高頻模塊的設(shè)計(jì)是功率越來(lái)越大,而體積卻是越來(lái)越小,這就對(duì)其設(shè)計(jì)提出了一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題,那就是如何解決磁性元件的損耗及發(fā)熱問(wèn)題。
高頻開(kāi)關(guān)電源中大量使用各種各樣的磁性元件,如輸入/輸出共模電感,功率變壓器,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,如差模電感希望μ值適中,但線性度好,不易飽和;共模電感則希望μ值要高,頻帶寬;功率變壓器則希望μ值要適中,溫度穩(wěn)定好,剩磁小,損耗低等。在非晶材料出現(xiàn)以前,共模電感主要采用高μ值(6K~10K)Mn-Zn合金,差模電感多采用鐵粉芯或開(kāi)氣隙鐵氧體材料,變壓器則采用鐵氧體材料等。這些材料應(yīng)用技術(shù)成熟,種類也很豐富,并有各種各樣的產(chǎn)品形狀供選擇。隨著非晶材料的出現(xiàn)和技術(shù)不斷成熟,在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,非晶材料表現(xiàn)出許多其它材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。幾種常用磁性材料基本性能比較如表l。
1 主變壓器的設(shè)計(jì)
對(duì)于高頻開(kāi)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選擇更是重要。
1)主變壓器的磁芯必須具備以下幾個(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)μ值隨B值變化??;
(5)與所選用功率器件開(kāi)關(guān)速度相應(yīng)的頻響。
早前高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯,下面對(duì)VITROPERM500F鐵基超微晶磁芯與德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能進(jìn)行較,見(jiàn)圖l。
從以上圖表可以看出兩者有以下區(qū)別:
(1)相同工作頻率(200kHz以下),非晶材料損耗明顯低于鐵氧體,工作頻率越低,工作B值越高,非晶材料優(yōu)勢(shì)越明顯。但在250kHz以上頻段,鐵氧體損耗要明顯低于非晶材料。
(2)非晶材料損耗隨溫度變化量大大低于鐵氧體,降低了變壓器熱設(shè)計(jì)的難度。
(3)非晶材料導(dǎo)磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體,降低了變壓器設(shè)計(jì)的難度,提高了電源運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
(4)非晶材料Bs?μ值是鐵氧體的10~15倍,意味著變壓器體積重量可以大幅減小。
變壓器設(shè)計(jì)過(guò)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(kāi)關(guān)頻率增加,變壓器的發(fā)熱呈指數(shù)增加。若采用鐵氧體磁芯,由于鐵氧體的居里點(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)致電路工作異常。若采用非晶做變壓器,將工作ΔB由4000高斯提高到100007葛斯,開(kāi)關(guān)器件的工作頻率則可以降到100kHz以下。非晶材料在16~100kHz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幫助。在采用軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)的前提下,可以充分發(fā)揮IGBT的低導(dǎo)通壓降,大電流,高耐壓的優(yōu)點(diǎn),大幅度地提高電源的可靠性。
2 磁芯的選擇
因?yàn)槿珮蜃儞Q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,當(dāng)電源功率較大時(shí),容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。為此,對(duì)于中、大功率的開(kāi)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,但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低(15kHz),頻率高時(shí),損耗增加??紤]到本課題中的開(kāi)關(guān)頻率為20kHz,故決定使用鐵基超微晶中低剩磁的磁芯。
選用鐵基超微晶環(huán)形鐵芯:ONL―1308040,該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=1.25T,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br0.2T,居里溫度5 lO℃,初始磁導(dǎo)率μi>30000,最大磁導(dǎo)率μm>50000,損耗P(0.5T、20kHz)30W/kg。外形尺寸:外徑l30mm,內(nèi)徑80mm,厚40mm,磁芯有效截面積Ac=7.5cm2.
(1)取設(shè)定工作時(shí),最大工作磁密Bm=0.5T,故全橋工作時(shí)ΔB=1T
(2)副邊匝數(shù)的計(jì)算
(3)原副邊匝比的選取
變壓器最小輸入電壓U1=500V,副邊整流后最大輸出電壓U。=300V,設(shè)定最大占空比D=0.8,U2=U0/D,
得N1=13
(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,均按照電流密度KJ為2.5A/mm2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:
由于開(kāi)關(guān)頻率不算太高,變壓器的繞制采用多股漆包線并繞,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)間的變化率應(yīng)保持最小;
(2)線性度好,在不同的工作電流下電感量的變化小;
(3)濾波電感的電損耗和磁損耗低。
評(píng)論