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高頻電源變壓器設(shè)計(jì)原則要求和程序摘要:從高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品(即商品)出發(fā),說(shuō)明了它的設(shè)計(jì)原則和要求,并介紹了它的設(shè)計(jì)程序. 關(guān)鍵詞:高頻電源變壓器;設(shè)計(jì)原則;設(shè)計(jì)要求;設(shè)計(jì)程序1前言 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“PowerTransformers”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(lái)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(guò)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(guò)中頻(10kHz)的電源變壓器,主要用于高頻開(kāi)關(guān)電源中作高頻開(kāi)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(wèn)題值得進(jìn)一步商討,因此才動(dòng)筆寫(xiě)本文.正如《電源技術(shù)應(yīng)用》主編寄語(yǔ)所說(shuō)的那樣:“具體地分析具體的情況”,寫(xiě)的目的,是嘗試把最難詳細(xì)說(shuō)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(wèn)題弄清楚.如有說(shuō)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(shuō)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(kāi)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(lái).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(qián)”的產(chǎn)品為什么在市場(chǎng)上推廣不開(kāi)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(lái)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(kāi)發(fā)高頻磁放大器式開(kāi)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(guò)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(shuō)明書(shū)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(wèn)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(méi)有普遍性?包括“辨析”一文中提出的一些說(shuō)法,都需要經(jīng)過(guò)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(kāi)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(lái)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(méi)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(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz~20kHz,一定有其原因.由于沒(méi)有畫(huà)出噪聲頻譜圖,具體原因說(shuō)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(méi)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(shuō)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(guò)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(lái),然后通過(guò)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(xiě)的開(kāi)關(guān)電源“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中,列出了“磁芯的選擇”,也沒(méi)有提磁導(dǎo)率,只是提出最大磁通密度Bm為0.275T.由于沒(méi)有畫(huà)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(méi)有一點(diǎn)說(shuō)明,只好讓讀者自己去猜想了. 電壓變換通過(guò)原邊和副邊繞組匝數(shù)比來(lái)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(shuō)法.“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中說(shuō):“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(kāi)路時(shí)初級(jí)電感量的1%~3%”.“辨析”一文中說(shuō):“在很多技術(shù)單上,標(biāo)注著漏感=1%的磁化電感或漏感