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高頻鏈中高頻變壓器的分析與設計

作者: 時(shí)間:2011-02-23 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

摘要:高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器代替傳統逆變器中笨重的工頻變壓器,大大減小了逆變器的體積和重量。在高頻鏈的硬件電路設計中,高頻變壓器是重要的一環(huán)。敘述了高頻變壓器的設計過(guò)程。實(shí)驗結果證明該設計滿(mǎn)足要求。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/156668.htm

關(guān)鍵詞:高頻鏈;高頻變壓器;逆變器

   

0 引言

MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念。高頻鏈逆變技術(shù)與常規的逆變技術(shù)最大的不同,在于利用高頻變壓器實(shí)現了輸入與輸出的電氣隔離,減小了變壓器的體積和重量。近年來(lái),高頻鏈技術(shù)引起人們越來(lái)越多的興趣。

1 概述

圖1是傳統的逆變器框圖。其缺點(diǎn)是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感,導致效率低,噪音大,可靠性差。另外,諧波含量大,波形畸變嚴重,與要求的優(yōu)質(zhì)正弦波相差甚遠。

圖1 傳統的逆變器

圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖,該方案是當今研究的最先進(jìn)方案,也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優(yōu)點(diǎn),諸如,以小型的高頻變壓器替代工頻變壓器;只有兩級功率變換;正弦波質(zhì)量高;控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件,肩負著(zhù)隔離和傳輸功率的重任,其性能好壞直接決定逆變器的性能好壞。不合格的變壓器溫升高,效率低,漏感嚴重,輸出波形畸變大,直接影響電路的穩定性和可靠性,甚至損壞開(kāi)關(guān)器件,導致實(shí)驗失敗。

圖2 電壓源高頻鏈逆變器

2 高頻變壓器的設計

設計高頻變壓器首先應該從磁芯開(kāi)始。開(kāi)關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場(chǎng)下使用的軟磁材料,它有較高磁導率,低的矯頑力,高的電阻率。磁導率高,在一定線(xiàn)圈匝數時(shí),通過(guò)不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓,因此,在輸出一定功率要求下,可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低,磁滯面積小,則鐵耗也少。高的電阻率,則渦流小,鐵耗小。各種磁芯物理性能及價(jià)格比如表1所列。鐵氧體材料是復合氧化物燒結體,電阻率很高,適合高頻下使用,但Bs值比較小,常使用在開(kāi)關(guān)電源中。本文采用的就是鐵氧體材料。

表1 各種磁芯特性比較表

磁芯類(lèi)型 非晶合金 薄硅鋼片 坡莫合金 鐵氧體
鐵損
磁導率
飽和磁密
溫度影響
加工
價(jià)格
 

高頻變壓器的設計通常采用兩種方法:第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積APAP=AW×Ae,稱(chēng)磁芯面積乘積),根據AP值,查表找出所需磁性材料之編號;第二種是先求出幾何參數,查表找出磁芯編號,再進(jìn)行設計。本文詳細討論如何用AP法設計高頻變壓器。

原邊NP匝,副邊Ns匝的變壓器,在NP匝上以電壓V1開(kāi)關(guān)工作時(shí),根據法拉第定律,有

V1=KffsNPBWAe(1)

式中:Kf為波形系數,即有效值和平均值之比,正弦波為4.44,方波為4;

fs為工作頻率;

BW為工作磁通密度。

NP= (2)

鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數Ko(一般取0.4)為有效面積,該面積為原邊繞組NP占據的窗口面積NPAP′與副邊繞組Ns占據的窗口面積NsAs′之和,即

KoAW=NPAP′+NsAs′(3)

式中:AP′及As′分別為原、副邊繞組每匝的截面積。

每匝所占用面積與流過(guò)該匝的電流值I和電流密度J有關(guān),如式(4)所示。


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