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關(guān)于大功率高頻變壓器的設(shè)計(jì)！
1前言
同一個(gè)英文名稱“Power
高頻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,作者對高頻變壓器的設(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變壓器的設(shè)計(jì)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。
以設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn),可以對高頻變壓器提出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
電磁兼容性是指高頻變壓器既不產(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,請給出實(shí)例與數(shù)據(jù)以及對噪聲原因的詳細(xì)說明,才會(huì)令人可信。
屏蔽是防止電磁干擾,增加高頻變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻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校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(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.
