30kHz高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設計

在傳統的高頻變壓器設計中，由于磁心材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著(zhù)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統的小型化，高頻化和高功率比已成為一個(gè)永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積，提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。本文根據超微晶合金的優(yōu)異電磁性能，通過(guò)示例介紹30kHz超微晶高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設計。

1、變壓器的性能指標

電路形式：半橋式開(kāi)關(guān)電源變換器原理見(jiàn)圖1：

工作頻率f：30kHz

變換器輸入電壓Ui:DC300V

變換器輸出電壓U0:DC2100V

變換器輸出電流Io:0.08A

整流電路：橋式整流

占空比D：1％～90％

輸出效率η:≥80％

耐壓：DC12kV

溫升：＋50℃

工作環(huán)境條件:－55℃～＋85℃

2、變壓器磁心的選擇與工作點(diǎn)確定

從變壓器的性能指標要求可知，傳統的薄帶硅鋼、鐵氧體材料已很難滿(mǎn)足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設計要求。磁心的材料只有從坡莫合金、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金三種材料中來(lái)考慮，但坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價(jià)格高，約為超微晶合金的數倍，而飽和磁感應強度Bs卻為超微晶合金2/3左右，且加工工藝復雜。因此，綜合三種材料的性能比較（表1），選擇飽和磁感應強度Bs高，溫度穩定性好，價(jià)格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術(shù)指標的實(shí)現。

表1（1）鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金的主要磁性能比較

磁心工作點(diǎn)的選擇往往從磁心的材料，變壓器的工作狀態(tài)，工作頻率，輸出功率，絕緣耐壓等因素來(lái)考慮。超微晶合金的飽和磁感應強度Bs較高約為1.2T，在雙極性開(kāi)關(guān)電源變壓器的設計中，磁心的最大工作磁感應強度Bm一般可取到0.6～0.7T，經(jīng)特別處理的磁心，Bm可達到0.9T。在本設計中，由于工作頻率、絕緣耐壓、使用環(huán)境的原因，把最大工作磁感應強度Bm定在0.6T，而磁心結構則定為不切口的矩形磁心。這種結構的磁心與環(huán)形磁心相比具有線(xiàn)圈繞制方便、分布參數影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統絕緣可靠、但電磁兼容性較差。

3、變壓器主要參數的計算

3.1變壓器的計算功率

半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時(shí)，其開(kāi)關(guān)電源變壓器的計算功率為：

Pt=UoIo(1＋1/η)(1)

將Uo=2100V,Io=0.08A,η=80％代入式（1），可得Pt=378W。

3.2變壓器的設計輸出能力

變壓器的設計輸出能力為：

Ap=(Pt•104/4BmfKWKJ)1.16（2）

式中：工作頻率f為30kHz，工作磁感應強度Bm取0.6T，磁心的窗口占空系數KW取0.2，矩形磁心的電流密度（溫升為50℃時(shí)）KJ取468。經(jīng)計算，變壓器的設計輸出能力AP=0.511cm4。