高頻電源變壓器設(shè)計(jì)原則要求和程序

1、高頻電源變壓器設(shè)計(jì)原則要求和程序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，10kVA0.5kVA為中功 率,0.5kVA25VA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

2、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“ PowerTransformer ”, 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

3、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:10kHz50kHz、 50kHz100kHz 100kHz500kHz 500kHz1MHz 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、

4、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

5、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 .

6、 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

7、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

8、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215C ,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 C外，還要給出60

9、 C , 80C ,100 C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 100C以下,也就是環(huán)境溫度為40C時(shí),溫升只允許低于60C,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)?H 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 1/21/3 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唸U

10、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 1/21/3, 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) 入S為21 X 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

11、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10kHz20kHz,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

12、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

13、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 B=BmBr.為了提高 B,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 B=2Bm為了提高 B, 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

14、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0.040.075T.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

15、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6.83.7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

16、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 <2%的磁化電感等類似的技術(shù)要求 .其實(shí)這種寫(xiě)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(guò)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(shuō)法不一樣,

17、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(kāi)關(guān)過(guò)程中突然釋放 , 會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓 , 增加開(kāi)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(guò)原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來(lái)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(wèn)題 .3.3

18、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(lái)看 , 損 耗不大.例如,100VA高頻電源變壓器,效率為98%寸，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胚有,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C02, S02,N0x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

19、,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(guò)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(shuō)那樣 , 工頻變壓器從熱穩(wěn)定熱均勻角度出

20、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(guò)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(shuō)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(lái)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

21、繞 組,反而會(huì)增加銅損 , 延緩銅損的下降趨勢(shì) . 說(shuō)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(shuō) 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

22、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(shuō)明書(shū)中都要列出 25E至100C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BX f,作為材

23、料的性能因子，并說(shuō)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,P等55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 BXf 為 10000mT< kHz,即在 100mT(0.1T)和 100kHz下,100 C 時(shí)損耗 a 級(jí) < 300kW/m(300mW/cm3),b級(jí)w 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PW3!級(jí)標(biāo)準(zhǔn).“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中

24、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(méi)指明是選哪一類軟磁鐵氧體材料，也沒(méi)說(shuō)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0.040.075T?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(mǎi) .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

25、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(lái)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(guò)程 ,這并不象“辨析”一文中所說(shuō)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(lái)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

26、,2A/mm23A/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

27、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(guò)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(guò)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(lái)決定的 . 因此,高頻電源變壓器的設(shè)

28、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

29、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(lái)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)

30、,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(lái)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(shuō)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(shuō)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

31、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(lái)都小 , 如果 選擇軟磁鐵氧體,必須用PW4PW5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

32、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(lái)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

33、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(guò) , 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(guò)線圈 , 而且內(nèi)層引出 線也要穿過(guò)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

34、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(wèn)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

35、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(lái)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 ,

36、 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(kāi)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 ， B

37、=BmBr,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(lái)回變化 , 磁芯損耗比雙方向變化沿大的磁滯回線來(lái)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 B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(kāi)氣隙的辦法來(lái)降低 Br,以增大磁通密度變化值 B. 雖然開(kāi)氣隙后，激磁電流有所增加，但增大4B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， B= 2Bm工作的磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多 , 損耗

38、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(wèn)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(lái)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),

39、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(lái)決定,匝數(shù)不能 過(guò)多,也不能過(guò)少.如果匝數(shù)過(guò)多 ,會(huì)增加漏感和繞線工時(shí) ;如果匝數(shù)過(guò)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(kāi)關(guān)電源 .開(kāi)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(kāi)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(kāi)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24A/mm2銅損占總損耗比例比較小時(shí)，推薦電流密度取812A/mm2但是,要經(jīng)過(guò)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