在傳統的高頻變壓器設計中，由於磁心材料的限制，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)永恆的研究方向和發(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.變壓器的性能指標工作頻率f：30kHz 變換器輸入電壓Ui C300V 變換器輸出電壓U0C2100V 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，且加工工藝複雜。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於變壓器技術(shù)指標的實(shí)現。圖1（1）鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金的主要磁性能比較 材料 飽和磁感應強度/T 矯頑力/A·m－1 居裡溫度/℃ 比損耗20kHz0.5T/W·kg－1 工作頻率/kHz 工作溫度/℃ 超微晶合金 1.2 0.48～1.2 25 ～150 ～150 鈷基非晶態(tài) 0.8 1.2 340 20 ～100 ～120 坡莫合金 0.7 1.99 480 30 ～50 ～200 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，由於工作頻率、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、分佈參數影響小、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，磁心的窗口占空係數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。 3.3變壓器的實(shí)際輸出能力 鐵基超微晶鐵心及超微晶軟磁合金通過(guò)省級技術(shù)鑒定 1999年10月24日，由江西省科委等機關(guān)委託主持的對江西大有科技有限公司研製的新產(chǎn)品DY－ON型鐵基超微晶磁鐵心和超微晶軟磁合金通過(guò)了省級技術(shù)鑒定，獲得與會(huì )專(zhuān)家學(xué)者的高度評價(jià)，一致認為這兩項產(chǎn)品性能穩定，各項技術(shù)指標分別達到美國UL94－P標準和國標GBm292－89技術(shù)要求，在國內同類(lèi)產(chǎn)品中具有特色。 非晶態(tài)（超微晶）軟磁合金，是90年代世界六大高科技新型材料之一，它具有優(yōu)異的特點(diǎn)，目前國內市場(chǎng)供不應求，前景廣闊。 聯(lián)繫人：江西省宜春市東風(fēng)大街62號宜春地區糧食局（336000）方華平 變壓器的輸出能力即磁心的輸出能力，它取決於磁心面積的乘積（AP），其值等於磁心有效截面積（AC）和它的窗口截面積（Am）的乘積，即：AP=ACAm(3) 在變壓器的設計中，變壓器的輸出能力必須大於它的設計輸出能力。在設計中，我們選用的矩形磁心的尺寸為：10×10×39×13.4（即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），實(shí)際AP達3.66cm4(其中磁心截面積的占空係數KC取0.7)，大於變壓器的設計輸出能力0.511cm4，因此，該磁心能夠滿(mǎn)足設計使用要求。 3.4繞組計算 初級匝數：D取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs, 忽略開(kāi)關(guān)管壓降，Up1=Ui/2=150V。 N1=Up1Ton10－2/2BmAc=(150×16.67)10－2 /(2×0.6×1×1×0.7)=29.77匝 取N1=30匝 次級匝數：忽略整流管壓降，Up2=Uo=2100V。 N2=Up2N1/Up1=(30×2100)/150=420匝 3.5導線(xiàn)線(xiàn)徑 Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A 電流密度：J=KjAp－0.1410－2=468×0.511－0.14 ×10－2=5.14A/mm2 考慮到線(xiàn)包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2 （1）初級繞組： 計算導線(xiàn)截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2 初級繞組的線(xiàn)徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線(xiàn)。 (2)次級繞組： 計算導線(xiàn)截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。 次級繞組的線(xiàn)徑可選d=0.16mm的圓銅線(xiàn)，其截面積為0.02mm2。為了方便線(xiàn)圈繞制也可選用線(xiàn)徑較粗的導線(xiàn)。4.線(xiàn)圈繞制與絕緣 為減小分佈參數的影響，初級採用雙腿並繞連接的結構，次級採用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性，繞制後的線(xiàn)圈厚度約為4.5mm。小於磁心窗口寬度13.4mm的一半。在變壓器的絕緣方面，線(xiàn)圈絕緣選用抗電強度高、介質(zhì)損耗低的復合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力。變壓器絕緣則採用整體灌注的方法來(lái)保證變壓器的絕緣使用要求。該超微晶開(kāi)關(guān)電源變壓器，環(huán)氧灌注絕緣後通過(guò)了產(chǎn)品的電性能檢測和機載條件的環(huán)境試驗，已用於機載設備，變壓器的溫升<35℃，工作效率達到90％以上，且波形質(zhì)量?jì)?yōu)異，電性能參數穩定。超微晶合金薄帶是新型的軟磁合金，電磁性能優(yōu)異，價(jià)格低廉，環(huán)境適應能力強，在高頻電磁元件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，特別是在陣面雷達系統中的電源、激勵變壓器、電感等。在100kHz的使用條件下，可以取代鐵氧體、坡莫合金用作磁心材料。 |
