30kHz高頻開關電源變壓器的設計

Designof30kHzHigh－frequencySMPSTransformer

???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。隨著電源技術的不斷發展，電源系統的小型化，高頻化和高功率比已成為一個永恒的研究方向和發展趨勢。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鍵因素。本文根據超微晶合金的優異電磁性能，通過示例介紹30kHz超微晶高頻開關電源變壓器的設計。

1變壓器的性能指標

??????工作頻率f：30kHz

　　變換器輸入電壓Ui:DC300V

　　變換器輸出電壓U0:DC2100V

　　變換器輸出電流I0.08A

　　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℃

　　工作環境條件:－55℃～＋85℃

2變壓器磁心的選擇與工作點確定

　　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足變壓器在頻率、使用環境方面的設計要求。磁心的材料只有從坡莫合金、鈷基非晶態合金和超微晶合金三種材料中來考慮，但坡莫合金、鈷基非晶態價格高，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，價格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術指標的實現。

圖1（1）鈷基非晶態合金和超微晶合金的主要磁性能比較

　　磁心工作點的選擇往往從磁心的材料，變壓器的工作狀態，工作頻率，輸出功率，絕緣耐壓等因素來考慮。超微晶合金的飽和磁感應強度Bs較高約為1.2T，在雙極性開關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形磁心相比具有線圈繞制方便、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，其開關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）KJ取468。經計算，變壓器的設計輸出能力AP=0.511cm4。

3.3變壓器的實際輸出能力

鐵基超微晶鐵心及超微晶軟磁合金通過省級技術鑒定

　　1999年10月24日，由江西省科委等機關委托主持的對江西大有科技有限公司研制的新產品DY－ON型鐵基超微晶磁鐵心和超微晶軟磁合金通過了省級技術鑒定，獲得與會專家學者的高度評價，一致認為這兩項產品性能穩定，各項技術指標分別達到美國UL94－P標準和國標GBm292－89技術要求，在國內同類產品中具有特色。

　　非晶態（超微晶）軟磁合金，是90年代世界六大高科技新型材料之一，它具有優異的特點，目前國內市場供不應求，前景廣闊。

　　聯系人：江西省宜春市東風大街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，它取決于磁心面積的乘積（AP），其值等于磁心有效截面積（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于它的設計輸出能力。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），實際AP達3.66cm4(其中磁心截面積的占空系數KC取0.7)，大于變壓器的設計輸出能力0.511cm4，因此，該磁心能夠滿足設計使用要求。

3.4繞組計算

初級匝數：D取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs,

忽略開關管壓降，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導線線徑

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

考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2

（1）初級繞組：

計算導線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2

初級繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。

(2)次級繞組：

計算導線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。

次級繞組的線徑可選d=0.16mm的圓銅線，其截面積為0.02mm2。為了方便線圈繞制也可選用線徑較粗的導線。

4線圈繞制與絕緣

　　為減小分布參數的影響，初級采用雙腿并繞連接的結構，次級采用分段繞制，串聯相接的方式，降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性，繞制后的線圈厚度約為4.5mm。小于磁心窗口寬度13.4mm的一半。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強度高、介質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。變壓器絕緣則采用整體灌注的方法來保證變壓器的絕緣使用要求。

5結束語

　　該超微晶開關電源變壓器，環氧灌注絕緣后通過了產品的電性能檢測和機載條件的環境試驗，已用于機載設備，變壓器的溫升<35℃，工作效率達到90％以上，且波形質量優異，電性能參數穩定。超微晶合金薄帶是新型的軟磁合金，電磁性能優異，價格低廉，環境適應能力強，在高頻電磁元件領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。