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高頻電源變壓器設計原則要求和程序摘要:從高頻電源變壓器作為一種產品(即商品)出發,說明了它的設計原則和要求,并介紹了它的設計程序. 關鍵詞:高頻電源變壓器;設計原則;設計要求;設計程序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,在電源技術中和電力電子技術中得到廣泛的應用.根據傳送功率的大小,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,電源變壓器的設計也不一樣,應當是不言而喻的.有人根據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?有待于科技術語方面的權威機構來選擇決定. 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原理,但是電力變壓器既強調功率傳送大,又強調絕緣隔離電壓高,無論在磁芯線圈,還是絕緣結構的設計上,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計的優化設計條件生搬硬套地應用到電源變壓器中去.電力變壓器和電源變壓器的設計方法不一樣,也應當是不言而喻的. 高頻電源變壓器是工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器,主要用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器,也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機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計方法不一樣,也應當是不言而喻的. 如上所述,作者對高頻電源變壓器的設計原則、要求和程序不存在錯誤概念,而是在2003年7月初,閱讀《電源技術應用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設計文章后,產生了疑慮,感到有些問題值得進一步商討,因此才動筆寫本文.正如《電源技術應用》主編寄語所說的那樣:“具體地分析具體的情況”,寫的目的,是嘗試把最難詳細說明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設計問題弄清楚.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計原則 高頻電源變壓器作為一種產品,自然帶有商品的屬性,因此高頻電源變壓器的設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.現在,輕、薄、短、小,成為高頻電源的發展方向,是強調降低成本.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,如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則,追求更好的性能價格比,傳送不到10VA的單片開關電源高頻變壓器,應當設計出更輕、薄、短、小的方案來.不談成本,市場的價值規律是無情的!許多性能好的產品,往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰.往往一種新產品最后被成本否決.一些“節能不節錢”的產品為什么在市場上推廣不開值得大家深思. 產品成本,不但包括材料成本,生產成本,還包括研發成本,設計成本.因此,為了節約時間,根據以往的經驗,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據,對窗口填充程度,繞組導線和結構推薦一些方案,有什么不好?為什么一定要按步就班地來回進行推算和仿真,才不是概念錯誤?作者曾在20世紀80年代中開發高頻磁放大器式開關電源,以溫升最低為條件,對高頻電源變壓器進行過優化設計.由于熱阻難以確定,結果與試制樣品相差甚遠,不得不再次修正.現在有些公司的磁芯產品說明書中,為了縮短用戶設計高頻電源變壓器的時間,有的列出簡化的設計公式,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,又推廣公司產品的雙贏行為,是完全符合市場規律的行為,絕不是什么需要辨析的錯誤概念.問題是提供的參考數據,推薦的方案是否是經驗的總結?有沒有普遍性?包括“辨析”一文中提出的一些說法,都需要經過實踐檢驗,才能站得住腳. 總之,千萬記住:高頻電源變壓器是一種產品(即商品),設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.檢驗設計的唯一標準是設計出的產品能否經受住市場的考驗.3高頻電源變壓器的設計要求 以設計原則為出發點,可以對高頻電源變壓器提出4項設計要求: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容:可靠性和電磁兼容性.以前只注意可靠性,現在由于環境保護意識增強,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,磁導率和損耗都隨溫度發生變化,故除正常溫度25℃外,還要給出60℃,80℃,100℃時的各種參考數據.因此,將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下,也就是環境溫度為40℃時,溫升只允許低于60℃,相當于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化的設計方案,可以使體積減少1/2~1/3的緣故?如果是,請舉具體實例數據.作者曾開發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%,已經相當可觀了.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驗.請有關作者詳細介紹優化設計方案,以便廣大讀者學習. 電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產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,產生的電磁干擾大.例如,錳鋅軟磁鐵氧體,磁致伸縮系數λS為21×10-6,是取向硅鋼的7倍以上,是高磁導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生的電磁干擾大.高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力.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生20kHz以下音頻噪聲的.既然提出10W以下單片開關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,請給出實例與數據以及對噪聲原因的詳細說明,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,在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當采取相應的措施,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,在磁芯中產生磁通變化,使副繞組感應電壓,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率有關.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,變為磁能儲存起來,然后通過去磁使副繞組感應電壓,變成電能釋放給負載.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.電感與磁芯磁導率有關,磁導率高,電感量大,儲能多,而不直接與磁通密度有關.雖然功率傳送方式不同,要求的磁芯參數不一樣,但是在高頻電源變壓器設計中,磁芯的材料和參數的選擇仍然是設計的一個主要內容.在電源變壓器“設計要點”一文中,很遺憾缺少這一個主要內容.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,為什么不提磁導率,而提BAC弄不清楚.經查閱,在《電源技術應用》2003年1/2期,同一主要作者寫的開關電源“設計要點”一文中,列出了“磁芯的選擇”,也沒有提磁導率,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比,只要不改變匝數比,就不影響電壓變換.但是,繞組匝數與高頻電源變壓器的漏感有關.漏感大小與原繞組匝數的平方成正比.有趣的是,漏感能不能規定一個數值?《電源技術應用》2003年第6期同時刊登的兩篇文章有著不同的說法.“設計要點”一文中說:“對于一符合絕緣及安全標準的高頻變壓器,其漏感量應為次級開路時初級電感量的1%~3%”.“辨析”一文中說:“在很多技術單上,標注著漏感=1%的磁化電感或漏感