高頻變壓器設(shè)計的點滴

　　電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離,作為一種主要的軟磁電磁元件,在電源技術(shù)中和電力電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用.根據(jù)傳送功率的大小,電源變壓器可以分為幾檔:10kVA以上為大功率,10kVA~0.5kVA為中功率,0.5kVA~25VA為小功率,25VA以下為微功率.傳送功率不同,電源變壓器的設(shè)計也不一樣,應(yīng)當(dāng)是不言而喻的.有人根據(jù)它的主要功能是功率傳送,把英文名稱“Power Transformers”譯成“功率變壓器”,在許多文獻(xiàn)資料中仍然在使用.究竟是叫“電源變壓器”,還是叫“功率變壓器”好呢?有待于科技術(shù)語方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)來選擇決定.

　　同一個英文名稱“Power Transformer”,還可譯成“電力變壓器”.電力變壓器主要用于電力輸配系統(tǒng)中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用,原邊電壓為6kV以上的高壓,功率最小5kVA,最大超過上萬kVA.電力變壓器和電源變壓器,雖然工作原理都是基于電磁感應(yīng)原理,但是電力變壓器既強(qiáng)調(diào)功率傳送大,又強(qiáng)調(diào)絕緣隔離電壓高,無論在磁芯線圈,還是絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計上,都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別,更不能將電力變壓器設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計條件生搬硬套地應(yīng)用到電源變壓器中去.電力變壓器和電源變壓器的設(shè)計方法不一樣,也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的.

　　高頻電源變壓器是工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器,主要用于高頻開關(guān)電源中作高頻開關(guān)電源變壓器,也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機(jī)中作高頻逆變電源變壓器的.按工作頻率高低,可分為幾個檔次:10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、 100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上.傳送功率比較大的,工作頻率比較低;傳送功率比較小的,工作頻率比較高.這樣,既有工作頻率的差別,又有傳送功率的差別,工作頻率不同檔次的電源變壓器設(shè)計方法不一樣,也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的.

　　如上所述,作者對高頻電源變壓器的設(shè)計原則、要求和程序不存在錯誤概念,而是在2003年7月初,閱讀《電源技術(shù)應(yīng)用》2003 年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設(shè)計文章后,產(chǎn)生了疑慮,感到有些問題值得進(jìn)一步商討,因此才動筆寫本文.正如《電源技術(shù)應(yīng)用》主編寄語所說的那樣: “具體地分析具體的情況”,寫的目的,是嘗試把最難詳細(xì)說明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設(shè)計問題弄清楚.如有說得不對的地方,敬請幾位作者和廣大讀者指正.

　　2 高頻電源變壓器的設(shè)計原則

　　高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品,自然帶有商品的屬性,因此高頻電源變壓器的設(shè)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(xiàn)在,輕、薄、短、小,成為高頻電源的發(fā)展方向,是強(qiáng)調(diào)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.所以在高頻電源變壓器的“設(shè)計要點”一文中,只談性能,不談成本,不能不說是一大缺憾,如果能認(rèn)真考慮一下高頻電源變壓器的設(shè)計原則,追求更好的性能價格比,傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器,應(yīng)當(dāng)設(shè)計出更輕、薄、短、小的方案來.不談成本,市場的價值規(guī)律是無情的!許多性能好的產(chǎn)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(chǎn)品最后被成本否決.一些“節(jié)能不節(jié)錢”的產(chǎn)品為什么在市場上推廣不開值得大家深思.

　　產(chǎn)品成本,不但包括材料成本,生產(chǎn)成本,還包括研發(fā)成本,設(shè)計成本.因此,為了節(jié)約時間,根據(jù)以往的經(jīng)驗,對高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、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(shù)據(jù),對窗口填充程度,繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)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(jìn)行推算和仿真,才不是概念錯誤?作者曾在20世紀(jì)80年代中開發(fā)高頻磁放大器式開關(guān)電源,以溫升最低為條件,對高頻電源變壓器進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計.由于熱阻難以確定,結(jié)果與試制樣品相差甚遠(yuǎn),不得不再次修正.現(xiàn)在有些公司的磁芯產(chǎn)品說明書中,為了縮短用戶設(shè)計高頻電源變壓器的時間,有的列出簡化的設(shè)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(chǎn)品的雙贏行為,是完全符合市場規(guī)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(shù)據(jù),推薦的方案是否是經(jīng)驗的總結(jié)?有沒有普遍性?包括“辨析”一文中提出的一些說法,都需要經(jīng)過實踐檢驗,才能站得住腳.

　　總之,千萬記住:高頻電源變壓器是一種產(chǎn)品(即商品),設(shè)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(shè)計的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場的考驗.

　　3 高頻電源變壓器的設(shè)計要求

　　以設(shè)計原則為出發(fā)點,可以對高頻電源變壓器提出4項設(shè)計要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本.

　　3.1 使用條件

　　使用條件包括兩方面內(nèi)容:可靠性和電磁兼容性.以前只注意可靠性,現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng),必須注意電磁兼容性.

　　可靠性是指在具體的使用條件下,高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止.一般使用條件對高頻電源變壓器影響最大的是環(huán)境溫度.有些軟磁材料,居里點比較低,對溫度敏感.例如:錳鋅軟磁鐵氧體,居里點只有215℃,其磁通密度,磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化,故除正常溫度25℃外,還要給出60℃,80℃,100℃時的各種參考數(shù)據(jù).因此,將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下,也就是環(huán)境溫度為40℃時,溫升只允許低于 60℃,相當(dāng)于A級絕緣材料溫度.與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件,一般都采用E級和B級絕緣材料,采用H級絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜,是不是大材小用?成本增加多少?是不是因為H級絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計方案,可以使體積減少1/2~1/3的緣故?如果是,請舉具體實例數(shù)據(jù).作者曾開發(fā)H級絕緣工頻50Hz,10kVA干式變壓器,與B級絕緣工頻50Hz,10kVA干式變壓器相比,體積減小15%到20%,已經(jīng)相當(dāng)可觀了.本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器,如次級繞組采用三重絕緣線,能把體積減小1/2~1/3,那一定是很寶貴的經(jīng)驗.請有關(guān)作者詳細(xì)介紹優(yōu)化設(shè)計方案,以便廣大讀者學(xué)習(xí).

　　電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾,又能承受外界的電磁干擾.電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲.高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮.磁致伸縮大的軟磁材料,產(chǎn)生的電磁干擾大.例如,錳鋅軟磁鐵氧體,磁致伸縮系數(shù)λS為 21×10-6,是取向硅鋼的7倍以上,是高磁導(dǎo)坡莫合金和非晶合金的20倍以上,是微晶納米晶合金的10倍以上.因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產(chǎn)生的電磁干擾大.高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導(dǎo)線之間的斥力.這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致.因此,工作頻率為 100kHz左右的高頻電源變壓器,沒有特殊原因是不會產(chǎn)生20kHz以下音頻噪聲的.既然提出10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率,約為 10kHz~20kHz,一定有其原因.由于沒有畫出噪聲頻譜圖,具體原因說不清楚,但是由高頻電源變壓器本身產(chǎn)生的可能性不大,沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯.至于采用這種粘合工藝可將音頻噪聲降低5dB,請給出實例與數(shù)據(jù)以及對噪聲原因的詳細(xì)說明,才會令人可信.

　　屏蔽是防止電磁干擾,增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法.但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播,在設(shè)計磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施,只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案,因為它只能阻止輻射干擾,不能阻止傳導(dǎo)干擾.

　　3.2 完成功能

　　高頻電源變壓器完成功能有3個:功率傳送,電壓變換和絕緣隔離.功率傳送有兩種方式.第一種是變壓器功率的傳送方式,加在原繞組上的電壓,在磁芯中產(chǎn)生磁通變化,使副繞組感應(yīng)電壓,從而使電功率從原邊傳送到副邊.在功率傳送過程中,磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式.單方向變化工作模式,磁通密度從最大值Bm變化到剩余磁通密度Br,或者從Br變化到Bm.磁通密度變化值ΔB=Bm-Br.為了提高ΔB,希望Bm大, Br小.雙方向變化工作模式磁通度從+Bm變化到-Bm,或者從-Bm變化到+Bm.磁通密度變化值ΔB=2Bm,為了提高ΔB,希望Bm大,但不要求 Br小,不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式,變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān).第二種是電感器功率傳送方式,原繞組輸入的電能,使磁芯激磁,變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?然后通過去磁使副繞組感應(yīng)電壓,變成電能釋放給負(fù)載.傳送功率決定于電感磁芯儲能,而儲能又決定于原繞組的電感.電感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān),磁導(dǎo)率高,電感量大,儲能多,而不直接與磁通密度有關(guān).雖然功率傳送方式不同,要求的磁芯參數(shù)不一樣,但是在高頻電源變壓器設(shè)計中,磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計的一個主要內(nèi)容.在電源變壓器“設(shè)計要點”一文中,很遺憾缺少這一個主要內(nèi)容.只是在“交流損耗”一條中,提出BAC典型值為0.04~0.075T.顯然,文中的高頻電源變壓器是采用電感功率傳送方式,為什么不提磁導(dǎo)率,而提BAC弄不清楚.經(jīng)查閱,在《電源技術(shù)應(yīng)用》 2003年1/2期,同一主要作者寫的開關(guān)電源“設(shè)計要點”一文中,列出了“磁芯的選擇”,也沒有提磁導(dǎo)率,只是提出最大磁通密度Bm為0.275T.由于沒有畫磁通密度變化波形,弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致:為什么BAC和Bm相差6.8~3.7倍?更不清楚,選的是哪一種軟磁鐵氧體材料?為什么選這種型號?兩文中都沒有一點說明,只好讓讀者自己去猜想了.

　　電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數(shù)比來完成.不管功率傳送是哪一種方式,原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比,只要不改變匝數(shù)比,就不影響電壓變換.但是,繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān).漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比.有趣的是,漏感能不能規(guī)定一個數(shù)值?《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期同時刊登的兩篇文章有著不同的說法.“設(shè)計要點”一文中說:“對于一符合絕緣及安全標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器,其漏感量應(yīng)為次級開路時初級電感量的1%~3%”.“辨析”一文中說:“在很多技術(shù)單上,標(biāo)注著漏感=1%的磁化電感或漏感<2%的磁化電感等類似的技術(shù)要求.其實這種寫法或設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè).電源設(shè)計者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求,對所能接受的漏感值作一個數(shù)值限制.在制作變壓器的過程中,應(yīng)在不使變壓器的其他參數(shù)(如匝間電容等)變差的情況下盡可能減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求”.“否則這將表明你不理解漏感知識或并不真正關(guān)心實際的漏感值”.雖然兩篇文章說法不一樣,但是有一點是共同的,就是盡可能減小漏感值.因為漏感值大,儲存的能量也大,在電源開關(guān)過程中突然釋放,會產(chǎn)生尖峰電壓,增加開關(guān)器件承受的電壓峰值,對絕緣不利,也產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾.

　　絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成.為了保證繞組之間的絕緣,必須增加兩個繞組之間的距離,從而降低繞組間的耦合程度,使漏感增大.還有,原繞組一般為高壓繞組,匝數(shù)不能太少,否則,匝間或者層間電壓相差大,會引起局部短路.這樣,匝數(shù)有下限,使漏感也有下限.總之,在高頻電源變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中,要統(tǒng)籌考慮漏感和絕緣強(qiáng)度問題.

　　3.3 提高效率

　　提高效率是對電源和電子設(shè)備的普遍要求.雖然從單個高頻電源變壓器來看,損耗不大.例如,100VA高頻電源變壓器,效率為98%時,損耗只有2W,并不多.但是成十萬個,成百萬個高頻電源變壓器,總損耗可能達(dá)到上100kW,甚至上MW.還有,許多高頻電源變壓器一直長期運行,年總損耗相當(dāng)可觀,有可能達(dá)到上10GW·h.這樣,提高高頻電源變壓器效率,可以節(jié)約電力.節(jié)約電力后,可以少建發(fā)電站.少建發(fā)電站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,廢氣,廢水,煙塵和灰渣,減少對環(huán)境的污染.既具有節(jié)約能源,又具有環(huán)境保護(hù)的雙重社會經(jīng)濟(jì)效益.因此,提高效率是高頻電源變壓器一個主要的設(shè)計要求,一般效率要提高到95%以上,損耗要減少到5%以下.高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗(鐵損)和繞組損耗(銅損).有人關(guān)心變壓器的鐵損和銅損的比例.這個比例是隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化的.如果變壓器的外加電壓不變,工作頻率越低,繞組匝數(shù)越多,銅損越大.因此在 50Hz工頻下,銅損遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵損.例如:50Hz,100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器,銅損為鐵損的5倍左右.50Hz, 100kVASH11型三相油浸式非晶合金電力變壓器,銅損為鐵損的20倍左右.并不存在“辨析”一文中所說那樣,工頻變壓器從熱穩(wěn)定熱均勻角度出發(fā),把銅損等于鐵損作為經(jīng)驗設(shè)計規(guī)則.隨著工作頻率升高,繞組匝數(shù)減少,雖然由于趨表效應(yīng)和鄰近效應(yīng)存在而使繞組損耗增加,但是總的趨勢是銅損隨著工作頻率升高而下降.而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗,隨著工作頻率升高而迅速增大.在某一段工作頻率,有可能出現(xiàn)銅損和鐵損相等的情況,超過這一段工作頻率,鐵損就大于銅損.造成鐵損不等于銅損的原因,也并不象“辨析”一文中所說那樣是由于“高頻變壓器采用非常細(xì)的漆包線作為繞組”.導(dǎo)線粗細(xì)的選擇,雖然受趨表效應(yīng)影響,但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來決定,與工作頻率不存在直接關(guān)系.而且,選用非常細(xì)的漆包線作為繞組,反而會增加銅損,延緩銅損的下降趨勢.說不定在設(shè)計選定的工作頻率下,還有可能出現(xiàn)銅損等于鐵損的情況.根據(jù)有的資料介紹,中小功率高頻電源變壓器的工作頻率在100kHz左右,鐵損已經(jīng)大于銅損,而成為高頻電源變壓器損耗的主要部分.

　　正因為鐵損是高頻電源變壓器損耗的主要部分,因此根據(jù)鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設(shè)計的一個主要內(nèi)容.鐵損也成為評價軟磁芯材料的一個主要參數(shù).鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關(guān),在介紹軟磁磁芯材料鐵損時,必須說明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下?lián)p耗.用符號表示時,也必須標(biāo)明PB/f〔式中工作磁通密度B的單位是T(特斯拉),工作頻率f的單位是Hz(赫芝)〕.例如,P0.5/400表示工作磁通密度為 0.5T,工作頻率為400Hz時的損耗.又例如,P0.1/100k表示工作磁通密度為0.1T,工作頻率為100kHz時的損耗.鐵損還與工作溫度有關(guān),在介紹軟磁磁芯材料鐵損時,必須指明它的工作溫度,特別是軟磁鐵氧體材料,對溫度變化比較敏感,在產(chǎn)品說明書中都要列出25℃至100℃的鐵損.

　　軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限,常常是鐵損限制了工作磁通密度的上限.所以,在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類標(biāo)準(zhǔn)中,把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積B×f,作為材料的性能因子,并說明在性能因子條件下允許的損耗值.新的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1,PW2,PW3,PW4,PW5等5類,性能因子越高的,工作頻率越高,極限頻率也越高.例如,PW3類軟磁鐵氧體材料,工作頻率為100kHz,極限頻率為300kHz,性能因子B×f為10000mT×kHz,即在100mT(0.1T)和100kHz下,100℃時損耗a級≤300kW/m(300mW/cm3),b級≤150kW/m3(150mW/cm3).日本TDK公司生產(chǎn)的PC44型軟磁鐵氧體材料達(dá)到 PW3a級標(biāo)準(zhǔn),達(dá)不到PW3b級標(biāo)準(zhǔn).

　　“設(shè)計要點”一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時的損耗應(yīng)低于50mW/cm3,沒指明是選哪一類軟磁鐵氧體材料,也沒說明損耗對應(yīng)的工作磁通密度.讀者只好去猜:損耗對應(yīng)的工作磁通密度是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年6期“設(shè)計要點”一文中的BAC典型值 0.04~0.075T?還是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1/2期“設(shè)計要點”一文中的Bm值0.237T?不管是0.075T,還是0.237T?要達(dá)到100kHz下鐵損低于50mW/cm3的鐵氧體材料是非常先進(jìn)的.請介紹一下是哪家公司哪種型號產(chǎn)品,以便讀者也去購買.

　　在某一段工作頻率下,高頻電源變壓器的繞組損耗(銅損)與鐵損相接近時,例如,銅損/鐵損=100%~25%范圍內(nèi),銅損也不能忽視,也應(yīng)當(dāng)考慮采取措施來減少銅損.由于原繞組和副繞組承擔(dān)的功率相近,往往在設(shè)計中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損,以便簡化設(shè)計計算過程,這并不象 “辨析”一文中所說的那樣:“只是工頻變壓器設(shè)計的一種經(jīng)驗規(guī)則,”對一定工作頻率下高頻電源變壓器設(shè)計也適用.不能只強(qiáng)調(diào)依靠溫升來設(shè)計高頻電源變壓器,由于熱阻不容易準(zhǔn)確確定,設(shè)計計算相當(dāng)麻煩.因此,為了簡化計算,有時根據(jù)經(jīng)驗預(yù)先推薦一些原則和數(shù)據(jù)是必要的.同樣,為了簡化計算,對不同工作頻率,不同功率的高頻電源變壓器推薦不同的繞組電流密度,也是必要的,但不限于某一個電流密度值,例如,2A/mm2~3A/mm2.應(yīng)當(dāng)看到:實現(xiàn)高頻電源變壓器設(shè)計要求的方法并不限于一種,應(yīng)當(dāng)允許進(jìn)行多種多樣的探索.“你走你的陽關(guān)道,我走我的獨木橋”.為什么一定要按你指定的道路走,才不是“錯誤概念”呢?

　　3.4 降低成本

　　降低成本是高頻電源變壓器的一個主要設(shè)計要求,有時甚至是決定性的要求.高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品,和其他商品一樣,都面臨著市場競爭.競爭的內(nèi)容包括性能和成本兩個方面,缺一不可.不注意降低成本,往往會在競爭中被淘汰.

　　高頻電源變壓器的成本包括材料成本,制造成本和管理成本.設(shè)計是高頻電源變壓器降低成本的主要手段.高頻電源變壓器所用的材料和零部件的貴賤和數(shù)量的多少?是否方便采購?是否要備有多少庫存量?磁芯,線圈和總體結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝復(fù)雜還是簡單?需要人工占的比例多大(實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動化,可以減少人工工時,更能保證產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量)?是否需要工模具?質(zhì)量控制中需要檢測的工序和參數(shù):哪些參數(shù)要在加工過程中檢測?哪些參數(shù)要在出廠試驗中檢測(出廠試驗的參數(shù)應(yīng)選擇能決定性能的關(guān)鍵參數(shù),數(shù)量不要多,以便能即時判斷產(chǎn)品質(zhì)量.)?哪些參數(shù)要在型式試驗中檢測?要用什么檢測儀器和設(shè)備,價格如何?等等,都是由設(shè)計來決定的.因此,高頻電源變壓器的設(shè)計者除了要了解高頻電源變壓器的理論和設(shè)計方法而外,還要了解各種軟磁材料和磁芯的性能和價格,各種電磁線的性能和價格,各種絕緣材料的性能和價格;還要了解磁芯加工熱處理工藝,線圈繞制和絕緣處理工藝及變壓器組裝工藝;還要了解實現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測參數(shù)和儀器設(shè)備;還要了解生產(chǎn)管理的基本知識以及高頻電源變壓器的市場動態(tài)等等.只有知識全面的設(shè)計者,才能設(shè)計出性能好,成本低的高頻電源變壓器產(chǎn)品.

　　降低成本是促進(jìn)高頻電源變壓器技術(shù)發(fā)展的一種推動力.為什么輕、薄、短、小成為高頻電源變壓器的發(fā)展方向?原因之一是這樣既能降低材料成本,又能降低制造成本.提高工作頻率,可以使高頻電源變壓器的重量和體積下降.但是,要克服高頻帶來的負(fù)面影響,必須采用新的軟磁材料和導(dǎo)電材料并增加抑制高頻電磁干擾的措施,因此,對具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟選用多高的工作頻率?要在綜合考慮性能和總體成本后決定.提高效率,降低損耗發(fā)生的熱量,可以減少高頻電源變壓器散熱的表面積,從而使體積和重量下降.但是,降低損耗必須采用新材料和新工藝.因此,對具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟達(dá)到多高的效率?也要在綜合考慮性能和總體成本后決定. 4

　　高頻電源變壓器的設(shè)計程序

　　高頻電源變壓器的設(shè)計程序,包括磁芯材料,磁芯結(jié)構(gòu),磁芯參數(shù),線圈參數(shù),組裝結(jié)構(gòu)和溫升校核等內(nèi)容.下面分別進(jìn)行討論.

　　4.1 磁芯材料

　　根據(jù)高頻電源變壓器的設(shè)計要求,選擇軟磁材料本來應(yīng)當(dāng)是設(shè)計程序的第一項.但是,現(xiàn)在一般都認(rèn)為高頻電源變壓器應(yīng)當(dāng)選擇軟磁鐵氧體,是自然而然的事情.許多有關(guān)高頻電源變壓器的論文,專著和教材,只針對軟磁鐵氧體進(jìn)行討論,而對其他軟磁材料有時說明一下,有時只字不提.而且究竟選擇哪一類軟磁鐵氧體,也不加以說明,好象大家都知道.《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期中的兩篇文章就是一例.

　　和任何軟磁磁芯材料一樣,軟磁鐵氧體有自己的優(yōu)缺點.軟磁鐵氧體的優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小,價格便宜,易加工成各種形狀的磁芯.缺點是工作磁通密度低,磁導(dǎo)率不高,磁致伸縮大,對溫度變化比較敏感.因此,有些高頻電源變壓器并不適合選擇軟磁鐵氧體.例如,工作頻率比較低(50kHz以下),功率比較大的高頻電源變壓器,如果選擇軟磁鐵氧體,由于工作磁通密度低,用材料多,磁芯體積大,加工困難,易碎,成品率不高,顯不出價格便宜的優(yōu)勢.又例如,工作頻率高(500kHz以上),功率比較小的高頻電源變壓器,磁芯重量和體積本來都小,如果選擇軟磁鐵氧體,必須用PW4、 PW5類材料,價格也不便宜,與其他軟磁材料相比,磁芯價格基本相當(dāng),有時反而由于體積大,而處于不利地位.即使在適合于軟磁鐵氧體的工作頻率范圍內(nèi),也要對選擇哪一類軟磁鐵氧體更能全面滿足高頻電源變壓器的設(shè)計要求,進(jìn)行認(rèn)真考慮,才可以使設(shè)計出來的高頻電源變壓器達(dá)到比較理想的性能價格比.

　　4.2 磁芯結(jié)構(gòu)

　　高頻電源變壓器設(shè)計中選擇磁芯結(jié)構(gòu)時考慮的因素有:降低漏磁和漏感,增加線圈散熱面積,有利于屏蔽,線圈繞線容易,裝配接線方便等.

　　漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系.如果磁芯不需要氣隙,則盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯,特別是工作頻率高的電源變壓器,因為,有一點漏感,就容易產(chǎn)生比較大的漏阻抗.封閉磁芯的磁通基本上集中在磁芯里面,漏磁小.同時,不論外界干擾磁場從哪個方向侵入,都在磁芯中分為兩個方向通過,產(chǎn)生的干擾互相抵消.但是,封閉磁芯繞線困難,且環(huán)形磁芯散熱要通過線圈,而且內(nèi)層引出線也要穿過線圈引出,故必須加強(qiáng)絕緣.不封閉磁芯繞線容易,磁芯散熱面大,可直接散熱,引出線也容易.建議裝線圈的磁路部分為圓柱形截面,減少平均匝長,降低損耗.矮胖圓柱形磁芯的漏磁和漏感比瘦高圓柱形磁芯大,一個原因是胖,圓柱形大,漏磁輻射面大;另一個原因是矮,上下兩磁軛距離近,容易形成漏磁通的路徑.不封閉磁芯中的氣隙大小和位置與漏磁和漏感有密切關(guān)系.在保證完成功能所需的氣隙條件下,盡可能減少氣隙尺寸.因為,氣隙尺寸增大,不但增加漏磁和漏感,還減少等值磁導(dǎo)率,增加激磁功率,對高頻電源變壓器工作不利.另外,氣隙的位置最好處于線圈的中間部位,可以起到減少氣隙漏磁通的作用.

　　窗口面積的大小與線圈發(fā)熱損耗和散熱面積有關(guān).窗口面積大,繞的電磁線截面大,電阻小,損耗小,發(fā)熱小.同時,線圈外形尺寸大,散熱面積也大.“辨析”一文中提出窗口面積利用問題,不能采取完全肯定和完全否定的態(tài)度.一般在留足工藝需要的窗口面積以后,希望盡可能把窗口面積繞滿.如果不能充分利用窗口面積,將會造成磁芯尺寸和變壓器外形尺寸不必要的增大,有可能要增加材料成本.因此,在高頻電源變壓器磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對窗口面積的大小,要綜合考慮各種因素后來決定.“辨析”一文中關(guān)于填滿磁芯窗口主要是受工頻磁性元件設(shè)計的影響的理由并不成立.工頻變壓器的銅損比鐵損大,為了增加線圈散熱面積,磁芯與線圈之間留有足夠的氣隙,有時原繞組和副繞組之間也留有氣隙.而不是“強(qiáng)調(diào)鐵芯和繞組的整體性,因而不希望鐵芯與繞組中間有氣隙”.也不是“設(shè)計成繞組填滿整個窗口,從而保證其機(jī)械穩(wěn)定性”.線圈和磁芯既然不是一個整體,必須分別用夾件固緊,才能保證各自的機(jī)械穩(wěn)定性.同時,為了保證足夠的絕緣距離,線圈兩端和繞組之間都必須留有氣隙,不可能用繞組填滿整個窗口.

　　為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾,有些磁芯結(jié)構(gòu)在窗口外面有封閉和半封閉的外殼.封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好,但散熱和接線不方便,必須留有接線孔和出氣孔.半封閉外殼,封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用,不封閉的地方用于接線和散熱.窗口完全開放,接線和散熱方便,屏蔽電磁干擾作用差.

　　4.3 磁芯參數(shù)

　　高頻電源變壓器磁芯參數(shù)設(shè)計中,要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制,還要受損耗的限制,同時還與功率傳送的工作方式有關(guān).

　　對變壓器功率傳送方式的磁通單方向變化工作模式,ΔB=Bm-Br,既受飽和磁通密度限制,又更主要地是受損耗限制.但是單方向變化的高頻電源變壓器工作時,沿局部磁滯回線來回變化,磁芯損耗比雙方向變化沿大的磁滯回線來回變化小,只有它的30%~40%.而材料測試時是按正弦波雙向激磁條件下變化的ΔB為2Bm進(jìn)行的.因此,Bm可以取材料測試損耗值時,選取的B值高一倍以上.Br受材料磁滯回線上的Br限制,可以用開氣隙的辦法來降低Br,以增大磁通密度變化值ΔB.雖然開氣隙后,激磁電流有所增加,但增大ΔB后可以減少磁芯體積,還是值得的.對變壓器功率傳送方式磁通雙方向變化工作模式,ΔB=2Bm,工作的磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多,損耗也大得多,Bm主要受損耗限制,在雙方向變化工作模式中,還要注意由于各種原因造成激磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等,而出現(xiàn)直流偏磁問題.可以在磁芯磁路中加一個小氣隙,或者在電路設(shè)計時加隔直流電容,或者采用電流型控制來解決.

　　對電感器功率傳送方式,磁導(dǎo)率是有氣隙后的等值磁導(dǎo)率,一般都比磁化曲線測出的磁導(dǎo)率小.可以在確定磁芯結(jié)構(gòu)后,直接測試它.“設(shè)計要點”一文中的高頻電源變壓器采用電感器功率傳送方式.不知道為什么不提選用的磁導(dǎo)率,而提BAC或者Bm?也不提BAC或Bm與損耗的關(guān)系?

　　4.4 線圈參數(shù)

　　高頻電源變壓器設(shè)計的線圈參數(shù)包括:匝數(shù),導(dǎo)線截面(直徑),導(dǎo)線形式,繞組排列和絕緣安排.

　　原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定,匝數(shù)不能過多,也不能過少.如果匝數(shù)過多,會增加漏感和繞線工時;如果匝數(shù)過少,在外加激磁電壓比較高時,有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大,而必須加強(qiáng)絕緣.

　　副繞組匝數(shù)由輸出電壓決定.高頻電源變壓器主要用于高頻開關(guān)電源.開關(guān)電源可以對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整上限受允許的開關(guān)占空比限制.在從要求的負(fù)載電壓計算變壓器輸出電壓時,應(yīng)考慮開關(guān)占空比,串聯(lián)二極管壓降和變壓器的內(nèi)阻抗壓降.

　　導(dǎo)線截面(直徑)決定于繞組的電流密度.繞組損耗(銅損)占總損耗比例比較大時,推薦電流密度取2~4A/mm2,銅損占總損耗比例比較小時,推薦電流密度取8~12A/mm2,但是,要經(jīng)過變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整.還要注意的是導(dǎo)線截面(直徑)的大小還與漏感有關(guān).在同樣匝數(shù)下,導(dǎo)線截面直徑增加,內(nèi)層排列的匝數(shù)減少,層數(shù)增加.而漏磁場分布靠近磁芯的內(nèi)層大,外層小,與磁芯距離平方成反比例地衰減.這樣,漏磁通大的內(nèi)層交鏈的匝數(shù)減少從而使漏感下降.

　　“設(shè)計要點”一文中提出的繞組排列形式,是一般用的繞組排列方式:原繞組靠近磁芯,副繞組和反饋繞組逐漸向外排列.這種繞組排列形式并不理想.下面推薦兩種繞組排列形式:

　　1)如果原繞組電壓高(例如220V),副繞組電壓低,可以采用副繞組靠近磁芯,接著繞反饋繞組,原繞組在最外層的繞組排列形式,這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排;

　　2)如果要增加原和副繞組之間耦合,可以采用一半原繞組靠近磁芯,接著繞反饋繞組和副繞組,最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式,這樣有利于減少漏感.

　　絕緣安排首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級,要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配.等級低,滿足不了耐熱要求,等級過高,會增加不必要的材料成本.其次,對在圓柱形磁路上繞線的線圈,最好采用線圈骨架,既可以保證絕緣,又可以簡化繞線工藝.還有,線圈最外層和最里層,高壓和低壓繞組之間都要加強(qiáng)絕緣.如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜,加強(qiáng)絕緣應(yīng)墊2~3層絕緣薄膜.

　　4.5 組裝結(jié)構(gòu)

　　高頻電源變壓器組裝結(jié)構(gòu)分為臥式和立式兩種.如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯,都采用臥式組裝結(jié)構(gòu),上下表面比較大,有利于散熱

　　或者附加散熱器,高度低,有利于安裝在印刷電路板上.組裝結(jié)構(gòu)中采用的夾件和接線端子等盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件,以便于外協(xié)加工,降低成本.

　　4.6 溫升校核

　　溫升校核可以通過計算和樣品測試來進(jìn)行.一般通過樣品試驗進(jìn)行溫升核算的比較多一些.如果樣品試驗溫升不超過允許溫升,可以通過.但是試驗溫升低于允許溫升15℃以上,要對繞組的電流密度和導(dǎo)線截面進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)增加電流密度和減少導(dǎo)線截面.如果樣品試驗溫升超過允許溫升,則要對繞組的電流密度和導(dǎo)線截面進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)減少電流密度和增加導(dǎo)線截面.如果增加導(dǎo)線截面,窗口繞不下,要增加磁芯尺寸.如果樣品試驗磁芯溫升超過允許溫升,則要增加磁芯的散熱面積,加大磁芯.