高頻變壓器設(shè)計(jì)的點(diǎn)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(jì)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(yǔ)方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)來選擇決定.

　　同一個(gè)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(wàn)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(wú)論在磁芯線圈,還是絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)方法不一樣,也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的.

　　如上所述,作者對(duì)高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則、要求和程序不存在錯(cuò)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(jì)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(dòng)筆寫本文.正如《電源技術(shù)應(yīng)用》主編寄語(yǔ)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(jì)問題弄清楚.如有說得不對(duì)的地方,敬請(qǐng)幾位作者和廣大讀者指正.

　　2 高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)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(jì)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(jià)格比最好.有時(shí)可能偏重性能和效率,有時(shí)可能偏重價(jià)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(diǎn)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(jì)要點(diǎn)”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(jì)原則,追求更好的性能價(jià)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(jì)出更輕、薄、短、小的方案來.不談成本,市場(chǎng)的價(jià)值規(guī)律是無(wú)情的!許多性能好的產(chǎn)品,往往由于價(jià)格不能為市場(chǎng)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(chǎng)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(jì)成本.因此,為了節(jié)約時(shí)間,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),對(duì)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(duì)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(cuò)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(duì)高頻電源變壓器進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì).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(jì)高頻電源變壓器的時(shí)間,有的列出簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)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(chǎng)規(guī)律的行為,絕不是什么需要辨析的錯(cuò)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(yàn)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(shí)踐檢驗(yàn),才能站得住腳.

　　總之,千萬(wàn)記住:高頻電源變壓器是一種產(chǎn)品(即商品),設(shè)計(jì)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(jià)格比最好.檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗(yàn).

　　3 高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求

　　以設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn),可以對(duì)高頻電源變壓器提出4項(xiàng)設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(diǎn)比較低,對(duì)溫度敏感.例如:錳鋅軟磁鐵氧體,居里點(diǎn)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(shí)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(shí),溫升只允許低于 60℃,相當(dāng)于A級(jí)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(jí)和B級(jí)絕緣材料,采用H級(jí)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?yàn)镠級(jí)絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,可以使體積減少1/2~1/3的緣故?如果是,請(qǐng)舉具體實(shí)例數(shù)據(jù).作者曾開發(fā)H級(jí)絕緣工頻50Hz,10kVA干式變壓器,與B級(jí)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(jí)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(yàn).請(qǐng)有關(guān)作者詳細(xì)介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)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(qǐng)給出實(shí)例與數(shù)據(jù)以及對(duì)噪聲原因的詳細(xì)說明,才會(huì)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(jì)磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)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?yàn)樗荒茏柚馆椛涓蓴_,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(gè):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?chǔ)存起來,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(chǔ)能,而儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)中,磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容.在電源變壓器“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中,很遺憾缺少這一個(gè)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(jì)要點(diǎn)”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(hào)?兩文中都沒有一點(diǎn)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?cè)褦?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(gè)數(shù)值?《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著不同的說法.“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中說:“對(duì)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(jí)開路時(shí)初級(jí)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(shí)這種寫法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè).電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求,對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)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(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值”.雖然兩篇文章說法不一樣,但是有一點(diǎn)是共同的,就是盡可能減小漏感值.因?yàn)槁└兄荡?儲(chǔ)存的能量也大,在電源開關(guān)過程中突然釋放,會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓,增加開關(guān)器件承受的電壓峰值,對(duì)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(gè)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(huì)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(jì)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(duì)電源和電子設(shè)備的普遍要求.雖然從單個(gè)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(shí),損耗只有2W,并不多.但是成十萬(wàn)個(gè),成百萬(wàn)個(gè)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(zhǎng)期運(yùn)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(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益.因此,提高效率是高頻電源變壓器一個(gè)主要的設(shè)計(jì)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(gè)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(yàn)設(shè)計(jì)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(shì)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(huì)增加銅損,延緩銅損的下降趨勢(shì).說不定在設(shè)計(jì)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?yàn)殍F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(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容.鐵損也成為評(píng)價(jià)軟磁芯材料的一個(gè)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(shí),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(hào)表示時(shí),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(shí)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(shí)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(shí),必須指明它的工作溫度,特別是軟磁鐵氧體材料,對(duì)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(shí)損耗a級(jí)≤300kW/m(300mW/cm3),b級(jí)≤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(jí)標(biāo)準(zhǔn),達(dá)不到PW3b級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

　　“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時(shí)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(duì)應(yīng)的工作磁通密度.讀者只好去猜:損耗對(duì)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(jì)要點(diǎn)”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(jì)要點(diǎn)”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(qǐng)介紹一下是哪家公司哪種型號(hào)產(chǎn)品,以便讀者也去購(gòu)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(shí),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(jì)中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損,以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,”對(duì)一定工作頻率下高頻電源變壓器設(shè)計(jì)也適用.不能只強(qiáng)調(diào)依靠溫升來設(shè)計(jì)高頻電源變壓器,由于熱阻不容易準(zhǔn)確確定,設(shè)計(jì)計(jì)算相當(dāng)麻煩.因此,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,有時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先推薦一些原則和數(shù)據(jù)是必要的.同樣,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)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(gè)電流密度值,例如,2A/mm2~3A/mm2.應(yīng)當(dāng)看到:實(shí)現(xiàn)高頻電源變壓器設(shè)計(jì)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(yáng)關(guān)道,我走我的獨(dú)木橋”.為什么一定要按你指定的道路走,才不是“錯(cuò)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(gè)主要設(shè)計(jì)要求,有時(shí)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng).競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)容包括性能和成本兩個(gè)方面,缺一不可.不注意降低成本,往往會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)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(jì)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(gòu)?是否要備有多少庫(kù)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(jiǎn)單?需要人工占的比例多大(實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化,可以減少人工工時(shí),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(cè)的工序和參數(shù):哪些參數(shù)要在加工過程中檢測(cè)?哪些參數(shù)要在出廠試驗(yàn)中檢測(cè)(出廠試驗(yàn)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(shí)判斷產(chǎn)品質(zhì)量.)?哪些參數(shù)要在型式試驗(yàn)中檢測(cè)?要用什么檢測(cè)儀器和設(shè)備,價(jià)格如何?等等,都是由設(shè)計(jì)來決定的.因此,高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)者除了要了解高頻電源變壓器的理論和設(shè)計(jì)方法而外,還要了解各種軟磁材料和磁芯的性能和價(jià)格,各種電磁線的性能和價(jià)格,各種絕緣材料的性能和價(jià)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(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測(cè)參數(shù)和儀器設(shè)備;還要了解生產(chǎn)管理的基本知識(shí)以及高頻電源變壓器的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)等等.只有知識(shí)全面的設(shè)計(jì)者,才能設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(jì)程序

　　高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)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(jì)要求,選擇軟磁材料本來應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)程序的第一項(xiàng).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(duì)軟磁鐵氧體進(jìn)行討論,而對(duì)其他軟磁材料有時(shí)說明一下,有時(shí)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(diǎn).軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小,價(jià)格便宜,易加工成各種形狀的磁芯.缺點(diǎn)是工作磁通密度低,磁導(dǎo)率不高,磁致伸縮大,對(duì)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(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì).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(jià)格也不便宜,與其他軟磁材料相比,磁芯價(jià)格基本相當(dāng),有時(shí)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(duì)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(jì)要求,進(jìn)行認(rèn)真考慮,才可以使設(shè)計(jì)出來的高頻電源變壓器達(dá)到比較理想的性能價(jià)格比.

　　4.2 磁芯結(jié)構(gòu)

　　高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中選擇磁芯結(jié)構(gòu)時(shí)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?dú)庀?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?yàn)?有一點(diǎn)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(shí),不論外界干擾磁場(chǎng)從哪個(gè)方向侵入,都在磁芯中分為兩個(gè)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(zhǎng),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(gè)原因是胖,圓柱形大,漏磁輻射面大;另一個(gè)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?yàn)?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(duì)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(shí),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(huì)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(jì)中,對(duì)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(jì)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(shí)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(jì)成繞組填滿整個(gè)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(gè)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(shí),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(gè)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(jì)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(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān).

　　對(duì)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(shí),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(cè)試時(shí)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(cè)試損耗值時(shí),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(duì)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(gè)小氣隙,或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容,或者采用電流型控制來解決.

　　對(duì)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(cè)出的磁導(dǎo)率小.可以在確定磁芯結(jié)構(gòu)后,直接測(cè)試它.“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”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(jì)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(chǔ)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(huì)增加漏感和繞線工時(shí);如果匝數(shù)過少,在外加激磁電壓比較高時(shí),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(duì)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(jì)算變壓器輸出電壓時(shí),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(shí),推薦電流密度取2~4A/mm2,銅損占總損耗比例比較小時(shí),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(chǎng)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?gòu)亩孤└邢陆?

　　“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”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(duì)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(jí),要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配.等級(jí)低,滿足不了耐熱要求,等級(jí)過高,會(huì)增加不必要的材料成本.其次,對(duì)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(jiǎn)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(jì)算和樣品測(cè)試來進(jìn)行.一般通過樣品試驗(yàn)進(jìn)行溫升核算的比較多一些.如果樣品試驗(yàn)溫升不超過允許溫升,可以通過.但是試驗(yàn)溫升低于允許溫升15℃以上,要對(duì)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(yàn)溫升超過允許溫升,則要對(duì)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(yàn)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.