高頻開關(guān)電源主要磁性元件的設(shè)計(jì)

1、高頻開關(guān)電源主要磁性元件的設(shè)計(jì)引言廣告插播信息維庫(kù)最新熱賣芯片： SI4412DY-T1ADS7864YB/250MJE802XC68HC705P6ACDWT082LTC1067CSBA6418NLE50STR80145LTC1421CSW-2.5在電力直流系統(tǒng)中，由于普遍采用高頻模塊，對(duì)于高頻模塊的設(shè)計(jì)是功率越來(lái)越大，而體積卻是越來(lái)越小，這就對(duì)其設(shè)計(jì)提出了一個(gè)關(guān)鍵的問題，那就是如何解決磁性元件的損耗及發(fā)熱問題。高頻開關(guān)電源中大量使用各種各樣的磁性元件，如輸入輸出共模電感，功率變壓器，飽和電感以及各種差模電感。各種磁性元器件對(duì)磁性材料的要求各不相同，如差模電感希望值適中，但線性度好，不易飽和；

2、共模電感則希望值要高，頻帶寬；功率變壓器則希望值要適中，溫度穩(wěn)定好，剩磁小，損耗低等。在非晶材料出現(xiàn)以前，共模電感主要采用高值(6K10K)Mn-Zn合金，差模電感多采用鐵粉芯或開氣隙鐵氧體材料，變壓器則采用鐵氧體材料等。這些材料應(yīng)用技術(shù)成熟，種類也很豐富，并有各種各樣的產(chǎn)品形狀供選擇。隨著非晶材料的出現(xiàn)和技術(shù)不斷成熟，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，非晶材料表現(xiàn)出許多其它材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。幾種常用磁性材料基本性能比較如表1。1 主變壓器的設(shè)計(jì)對(duì)于高頻開關(guān)電源的主要發(fā)熱元件，主變壓器的設(shè)計(jì)尤其重要，其尺寸的大小和材料的選擇更是重要。1)主變壓器的磁芯必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)(1)低損耗；(2)高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)

3、度且溫度系數(shù)?。?3)寬工作溫度范圍；(4)值隨B值變化小；(5)與所選用功率器件開關(guān)速度相應(yīng)的頻響。早前高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯，下面對(duì)VITROPERM500F鐵基超微晶磁芯與德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能進(jìn)行較，見圖1。從以上圖表可以看出兩者有以下區(qū)別：(1)相同工作頻率(200kHz以下)，非晶材料損耗明顯低于鐵氧體，工作頻率越低，工作B值越高，非晶材料優(yōu)勢(shì)越明顯。但在250kHz以上頻段，鐵氧體損耗要明顯低于非晶材料。(2)非晶材料損耗隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器熱設(shè)計(jì)的難度。(3)非晶材料導(dǎo)磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器設(shè)計(jì)的難度，提高

4、了電源運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。(4)非晶材料Bs·值是鐵氧體的1015倍，意味著變壓器體積重量可以大幅減小。變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中，最困難的是熱設(shè)計(jì)，變壓器的產(chǎn)熱與多方面的因素有關(guān)，如磁芯損耗，銅損等。開關(guān)頻率增加，變壓器的發(fā)熱呈指數(shù)增加。若采用鐵氧體磁芯，由于鐵氧體的居里點(diǎn)較低，需對(duì)變壓器磁芯作散熱處理，工藝制作比較復(fù)雜。若散熱處理不當(dāng)，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導(dǎo)致電路工作異常。若采用非晶做變壓器，將工作B由4000高斯提高到100007葛斯，開關(guān)器件的工作頻率則可以降到100kHz以下。非晶材料在16100kHz頻率范圍內(nèi)，損耗Bs值最低，相應(yīng)的變壓器匝數(shù)及體積最小，發(fā)熱量也較小，對(duì)提高

5、整機(jī)效率，減小模塊電源的體積有巨大幫助。在采用軟開關(guān)控制技術(shù)的前提下，可以充分發(fā)揮IGBT的低導(dǎo)通壓降，大電流，高耐壓的優(yōu)點(diǎn)，大幅度地提高電源的可靠性。2 磁芯的選擇因?yàn)槿珮蜃儞Q器中的變壓器工作在雙端，對(duì)Br的要求不是很嚴(yán)格，它需要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯，當(dāng)電源功率較大時(shí)，容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。為此，對(duì)于中、大功率的開關(guān)電源，主變壓器選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B，低的磁芯。雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低(<15kHz)，頻率高時(shí)，損耗增加?？紤]到本課題中的開關(guān)頻率為20kHz，故決定使用鐵基超微晶中低剩磁的磁芯。選用鐵基超微

6、晶環(huán)形鐵芯：ONL1308040，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=125T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br<02T，居里溫度5 lO，初始磁導(dǎo)率i>30000，最大磁導(dǎo)率m>50000，損耗P(05T、20kHz)<30Wkg。外形尺寸：外徑l30mm，內(nèi)徑80mm，厚40mm，磁芯有效截面積Ac=75cm2.(1)取設(shè)定工作時(shí)，最大工作磁密Bm=05T，故全橋工作時(shí)B=1T(2)副邊匝數(shù)的計(jì)算(3)原副邊匝比的選取變壓器最小輸入電壓U1=500V，副邊整流后最大輸出電壓U。=300V，設(shè)定最大占空比D=08，U2=U0D，得N1=13(4)窗口利用率的計(jì)算變壓器輸入電流I1=30A，

7、輸出電流I2=50A，均按照電流密度KJ為25Amm2設(shè)計(jì)；初級(jí)繞組截面積Ar1=12mm2，次級(jí)繞組截面積Ar2=20mm2窗口面積Aw=50cm2。窗口利用率：由于開關(guān)頻率不算太高，變壓器的繞制采用多股漆包線并繞，外包抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙的方式，保證絕緣等級(jí)。2  輸出電感的設(shè)計(jì)1)對(duì)輸出濾波電感的磁芯主要要求有以下幾點(diǎn)：(1)溫度系數(shù)小，濾波電感的電感量隨時(shí)間的變化率應(yīng)保持最??；(2)線性度好，在不同的工作電流下電感量的變化??；(3)濾波電感的電損耗和磁損耗低。選用鐵基超微晶C D型切口鐵芯：JFQ-078025015040，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=125

8、T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br<O2T。外形尺寸：內(nèi)寬78mm，內(nèi)長(zhǎng)25mm，疊厚15mm，帶寬40mm。磁芯有效截面Ac=42cm2。2)磁芯的選擇(1)匝數(shù)、氣隙的計(jì)算設(shè)定工作時(shí)，最大工作磁密Bm=08T，及最大峰值電流I=60A，電感量L=015mH電感定義式上式中，Ac是鐵芯的有效截面積。磁路歐姆定律上式中，l0、lc是空氣隙和鐵芯的長(zhǎng)度，0、。是空氣和鐵芯的磁導(dǎo)率。由(5)式可得由(9)式可求得氣隙長(zhǎng)度(1)窗口利用率的計(jì)算濾波電感通過(guò)的最大平均電流為50A，按照電流密度KJ為25Amm2設(shè)計(jì)，繞組截面積A，=20mm2；窗口面積AW=195cm2。窗口利用率3 飽和電感的設(shè)計(jì)1)磁芯的選擇選用鈷基非晶環(huán)形鐵芯，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=053T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=05T，居里溫度210，磁導(dǎo)率=90000。外形尺寸：外徑42mm，內(nèi)徑29mm，厚l8mm。磁芯有效截面積Ac=082cm2。2)延遲開通時(shí)間的選擇根據(jù)ZCS的要求選擇05s3)匝數(shù)的計(jì)算根據(jù)式中N為匝數(shù)，tb為延遲開通時(shí)間，Bs為磁芯的飽和磁密，Ac為磁芯的有效截面積，ULS為加在飽和電感上的電壓，約等于Udc。算得N=34)窗口利用率的計(jì)算飽和電感通過(guò)的