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高频电源变压器设计原则要求和程序【二】
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:178

高频电源变压器设计原则要求和程序【二】

3.4 降低成本

  降低成本是高频电源变压器的一个主要设计要求,有时甚至是决定性的要求。高频电源变压器作为一种产品,和其他商品一样,都面临着市场竞争。竞争的内容包括性能和成本两个方面,缺一不可。不注意降低成本,往往会在竞争中被淘汰。

  高频电源变压器的成本包括材料成本,制造成本和管理成本。设计是高频电源变压器降低成本的主要手段。高频电源变压器所用的材料和零部件的贵贱和数量的多少?是否方便采购?是否要备有多少库存量?磁芯,线圈和总体结构的加工和装配工艺复杂还是简单?需要人工占的比例多大(实现生产过程的机械化和自动化,可以减少人工工时,更能保证产品的一致性和质量)?是否需要工模具?质量控制中需要检测的工序和参数:哪些参数要在加工过程中检测?哪些参数要在出厂试验中检测(出厂试验的参数应选择能决定性能的关键参数,数量不要多,以便能即时判断产品质量。)?哪些参数要在型式试验中检测?要用什么检测仪器和设备,价格如何?等等,都是由设计来决定的。因此,高频电源变压器的设计者除了要了解高频电源变压器的理论和设计方法而外,还要了解各种软磁材料和磁芯的性能和价格,各种新宝6登录地址线的性能和价格,各种绝缘材料的性能和价格;还要了解磁芯加工热处理工艺,线圈绕制和绝缘处理工艺及变压器组装工艺;还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备;还要了解生产管理的基本知识以及高频电源变压器的市场动态等等。只有知识全面的设计者,才能设计出性能好,成本低的高频电源变压器产品。

  降低成本是促进高频电源变压器技术发展的一种推动力。为什么轻、薄、短、小成为高频电源变压器的发展方向?原因之一是这样既能降低材料成本,又能降低制造成本。提高工作频率,可以使高频电源变压器的重量和体积下降。但是,要克服高频带来的负面影响,必须采用新的软磁材料和导电材料并增加抑制高频新宝6登录地址干扰的措施,因此,对具体使用条件下的高频电源变压器究竟选用多高的工作频率?要在综合考虑性能和总体成本后决定。提高效率,降低损耗发生的热量,可以减少高频电源变压器散热的表面积,从而使体积和重量下降。但是,降低损耗必须采用新材料和新工艺。因此,对具体使用条件下的高频电源变压器究竟达到多高的效率?也要在综合考虑性能和总体成本后决定。 4

  高频电源变压器的设计程序

  高频电源变压器的设计程序,包括磁芯材料,磁芯结构,磁芯参数,线圈参数,组装结构和温升校核等内容。下面分别进行讨论。

4.1 磁芯材料

  根据高频电源变压器的设计要求,选择软磁材料本来应当是设计程序的第一项。但是,现在一般都认为高频电源变压器应当选择软磁铁氧体,是自然而然的事情。许多有关高频电源变压器的论文,专著和教材,只针对软磁铁氧体进行讨论,而对其他软磁材料有时说明一下,有时只字不提。而且究竟选择哪一类软磁铁氧体,也不加以说明,好象大家都知道。《电源技术应用》2003年第6期中的两篇文章就是一例。

  和任何软磁磁芯材料一样,软磁铁氧体有自己的优缺点。软磁铁氧体的优点是电阻率高、交流涡流损耗小,价格便宜,易加工成各种形状的磁芯。缺点是工作磁通密度低,磁导率不高,磁致伸缩大,对新宝6测速变化比较敏感。因此,有些高频电源变压器并不适合选择软磁铁氧体。例如,工作频率比较低(50kHz以下),功率比较大的高频电源变压器,如果选择软磁铁氧体,由于工作磁通密度低,用材料多,磁芯体积大,加工困难,易碎,成品率不高,显不出价格便宜的优势。又例如,工作频率高(500kHz以上),功率比较小的高频电源变压器,磁芯重量和体积本来都小,如果选择软磁铁氧体,必须用PW4PW5类材料,价格也不便宜,与其他软磁材料相比,磁芯价格基本相当,有时反而由于体积大,而处于不利地位。即使在适合于软磁铁氧体的工作频率范围内,也要对选择哪一类软磁铁氧体更能全面满足高频电源变压器的设计要求,进行认真考虑,才可以使设计出来的高频电源变压器达到比较理想的性能价格比。

4.2 磁芯结构

  高频电源变压器设计中选择磁芯结构时考虑的因素有:降低漏磁和漏感,增加线圈散热面积,有利于屏蔽,线圈绕线容易,装配接线方便等。

  漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不需要气隙,则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯,特别是工作频率高的电源变压器,因为,有一点漏感,就容易产生比较大的漏阻抗。封闭磁芯的磁通基本上集中在磁芯里面,漏磁小。同时,不论外界干扰磁场从哪个方向侵入,都在磁芯中分为两个方向通过,产生的干扰互相抵消。但是,封闭磁芯绕线困难,且环形磁芯散热要通过线圈,而且内层引出线也要穿过线圈引出,故必须加强绝缘。不封闭磁芯绕线容易,磁芯散热面大,可直接散热,引出线也容易。建议装线圈的磁路部分为圆柱形截面,减少平均匝长,降低损耗。矮胖圆柱形磁芯的漏磁和漏感比瘦高圆柱形磁芯大,一个原因是胖,圆柱形大,漏磁辐射面大;另一个原因是矮,上下两磁轭距离近,容易形成漏磁通的路径。不封闭磁芯中的气隙大小和位置与漏磁和漏感有密切关系。在保证完成功能所需的气隙条件下,尽可能减少气隙尺寸。因为,气隙尺寸增大,不但增加漏磁和漏感,还减少等值磁导率,增加激磁功率,对高频电源变压器工作不利。另外,气隙的位置最好处于线圈的中间部位,可以起到减少气隙漏磁通的作用。

  窗口面积的大小与线圈发热损耗和散热面积有关。窗口面积大,绕的新宝6登录地址线截面大,电阻小,损耗小,发热小。同时,线圈外形尺寸大,散热面积也大。辨析一文中提出窗口面积利用问题,不能采取完全肯定和完全否定的态度。一般在留足工艺需要的窗口面积以后,希望尽可能把窗口面积绕满。如果不能充分利用窗口面积,将会造成磁芯尺寸和变压器外形尺寸不必要的增大,有可能要增加材料成本。因此,在高频电源变压器磁芯结构设计中,对窗口面积的大小,要综合考虑各种因素后来决定。辨析一文中关于填满磁芯窗口主要是受工频磁性元件设计的影响的理由并不成立。工频变压器的铜损比铁损大,为了增加线圈散热面积,磁芯与线圈之间留有足够的气隙,有时原绕组和副绕组之间也留有气隙。而不是强调铁芯和绕组的整体性,因而不希望铁芯与绕组中间有气隙。也不是设计成绕组填满整个窗口,从而保证其机械稳定性。线圈和磁芯既然不是一个整体,必须分别用夹件固紧,才能保证各自的机械稳定性。同时,为了保证足够的绝缘距离,线圈两端和绕组之间都必须留有气隙,不可能用绕组填满整个窗口。

  为了防止高频电源变压器从里向外和从外向里的新宝6登录地址干扰,有些磁芯结构在窗口外面有封闭和半封闭的外壳。封闭外壳屏蔽新宝6登录地址干扰作用好,但散热和接线不方便,必须留有接线孔和出气孔。半封闭外壳,封闭的地方起屏蔽新宝6登录地址干扰作用,不封闭的地方用于接线和散热。窗口完全开放,接线和散热方便,屏蔽新宝6登录地址干扰作用差。

4.3 磁芯参数

  高频电源变压器磁芯参数设计中,要特别注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制,还要受损耗的限制,同时还与功率传送的工作方式有关。

  对变压器功率传送方式的磁通单方向变化工作模式,ΔB=BmBr,既受饱和磁通密度限制,又更主要地是受损耗限制。但是单方向变化的高频电源变压器工作时,沿局部磁滞回线来回变化,磁芯损耗比双方向变化沿大的磁滞回线来回变化小,只有它的30%~40%。而材料测试时是按正弦波双向激磁条件下变化的ΔB2Bm进行的。因此,Bm可以取材料测试损耗值时,选取的B值高一倍以上。Br受材料磁滞回线上的Br限制,可以用开气隙的办法来降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB。虽然开气隙后,激磁电流有所增加,但增大ΔB后可以减少磁芯体积,还是值得的。对变压器功率传送方式磁通双方向变化工作模式,ΔB=2Bm,工作的磁滞回线包围的面积比局部回线大得多,损耗也大得多,Bm主要受损耗限制,在双方向变化工作模式中,还要注意由于各种原因造成激磁的正负变化的伏秒面积不相等,而出现直流偏磁问题。可以在磁芯磁路中加一个小气隙,或者在电路设计时加隔直流电容,或者采用电流型控制来解决。

  对电感器功率传送方式,磁导率是有气隙后的等值磁导率,一般都比磁化曲线测出的磁导率小。可以在确定磁芯结构后,直接测试它。设计要点一文中的高频电源变压器采用电感器功率传送方式。不知道为什么不提选用的磁导率,而提BAC或者Bm?也不提BACBm与损耗的关系?

4.4 线圈参数

  高频电源变压器设计的线圈参数包括:匝数,导线截面(直径),导线形式,绕组排列和绝缘安排。

  原绕组匝数根据外加激磁电压或者原绕组激磁电感(储存能量)来决定,匝数不能过多,也不能过少。如果匝数过多,会增加漏感和绕线工时;如果匝数过少,在外加激磁电压比较高时,有可能使匝间电压降和层间电压降增大,而必须加强绝缘。

  副绕组匝数由输出电压决定。高频电源变压器主要用于高频开关电源。开关电源可以对输出电压进行调整,调整上限受允许的开关占空比限制。在从要求的负载电压计算变压器输出电压时,应考虑开关占空比,串联二极管压降和变压器的内阻抗压降。

  导线截面(直径)决定于绕组的电流密度。绕组损耗(铜损)占总损耗比例比较大时,推荐电流密度取24A/mm2,铜损占总损耗比例比较小时,推荐电流密度取812A/mm2,但是,要经过变压器温升校核后进行必要的调整。还要注意的是导线截面(直径)的大小还与漏感有关。在同样匝数下,导线截面直径增加,内层排列的匝数减少,层数增加。而漏磁场分布靠近磁芯的内层大,外层小,与磁芯距离平方成反比例地衰减。这样,漏磁通大的内层交链的匝数减少从而使漏感下降。

  设计要点一文中提出的绕组排列形式,是一般用的绕组排列方式:原绕组靠近磁芯,副绕组和反馈绕组逐渐向外排列。这种绕组排列形式并不理想。下面推荐两种绕组排列形式:

  1)如果原绕组电压高(例如220V),副绕组电压低,可以采用副绕组靠近磁芯,接着绕反馈绕组,原绕组在最外层的绕组排列形式,这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排;

  2)如果要增加原和副绕组之间耦合,可以采用一半原绕组靠近磁芯,接着绕反馈绕组和副绕组,最外层再绕一半原绕组的绕组排列形式,这样有利于减少漏感。

  绝缘安排首先要注意使用的新宝6登录地址线和绝缘件的绝缘材料等级,要与磁芯和绕组允许的工作新宝6测速相匹配。等级低,满足不了耐热要求,等级过高,会增加不必要的材料成本。其次,对在圆柱形磁路上绕线的线圈,最好采用线圈骨架,既可以保证绝缘,又可以简化绕线工艺。还有,线圈最外层和最里层,高压和低压绕组之间都要加强绝缘。如果一般绝缘只垫一层绝缘薄膜,加强绝缘应垫23层绝缘薄膜。

4.5 组装结构

  高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯,都采用卧式组装结构,上下表面比较大,有利于散热

  或者附加散热器,高度低,有利于安装在印刷电路板上。组装结构中采用的夹件和接线端子等尽量采用标准件,以便于外协加工,降低成本。

4.6 温升校核

  温升校核可以通过计算和样品测试来进行。一般通过样品试验进行温升核算的比较多一些。如果样品试验温升不超过允许温升,可以通过。但是试验温升低于允许温升15℃以上,要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当增加电流密度和减少导线截面。如果样品试验温升超过允许温升,则要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当减少电流密度和增加导线截面。如果增加导线截面,窗口绕不下,要增加磁芯尺寸。如果样品试验磁芯温升超过允许温升,则要增加磁芯的散热面积,加大磁芯。

5 结语

  《电源技术应用》2003年第6期主编寄语中说:科学技术的发展历程犹如登山运动,每攀登一步,便会上升到一个新的台阶,新的台阶自有新的风光。本文作者对此深表赞同。

  高频电源变压器随着工作频率的提高,设计不断发生变化,不断出现新的软磁材料,新的磁芯结构,新的导线材料和绝缘材料,新的线圈结构和组装结构等等,不断出现新的设计方法,就象登山一样,不断攀上新的台阶。

  登山要有目标。登山的目标是攀上顶峰。失去目标,登山会迷路。高频电源变压器设计也有目标,设计的目标是实现设计原则,在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。失去目标,高频电源变压器设计也会误入歧途。

  登山的道路不只一条。不管是从东西南北哪条道路攀登,只要能攀上顶峰,则该条道路就是可行的。同样,高频电源变压器的设计方法也不只一种。不管采用哪一种设计方法,只要能实现设计原则,则该种设计方法就不能说是概念错误的。

  攀登山上山,放眼天外天!在登上更高的山后,会看见更大的天地,更好的风光。高频电源变压器设计发展到一个新阶段后,会设计出性能更好成本更低的产品来。让我们共同努力吧!

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