引言
在電力直流系統(tǒng)中,，由于普遍采用高頻模塊,，對(duì)于高頻模塊的設(shè)計(jì)是功率越來越大，而體積卻是越來越小,，這就對(duì)其設(shè)計(jì)提出了一個(gè)關(guān)鍵的問題,，那就是如何解決磁性元件的損耗及發(fā)熱問題。
高頻開關(guān)電源中大量使用各種各樣的磁性元件,，如輸入／輸出共模電感,，功率變壓器，飽和電感以及各種差模電感,。各種磁性元器件對(duì)磁性材料的要求各不相同,，如差模電感希望μ值適中，但線性度好，不易飽和,；共模電感則希望μ值要高,，頻帶寬；功率變壓器則希望μ值要適中,，溫度穩(wěn)定好,，剩磁小，損耗低等,。在非晶材料出現(xiàn)以前,，共模電感主要采用高μ值(6K～10K)Mn-Zn合金，差模電感多采用鐵粉芯或開氣隙鐵氧體材料,，變壓器則采用鐵氧體材料等,。這些材料應(yīng)用技術(shù)成熟，種類也很豐富,，并有各種各樣的產(chǎn)品形狀供選擇,。隨著非晶材料的出現(xiàn)和技術(shù)不斷成熟，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,，非晶材料表現(xiàn)出許多其它材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn),。幾種常用磁性材料基本性能比較如表l。
1 主變壓器的設(shè)計(jì)
對(duì)于高頻開關(guān)電源的主要發(fā)熱元件,，主變壓器的設(shè)計(jì)尤其重要,，其尺寸的大小和材料的選擇更是重要。
1)主變壓器的磁芯必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)
(1)低損耗,；
(2)高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度且溫度系數(shù)?。?/p>
(3)寬工作溫度范圍,；
(4)μ值隨B值變化?。?/p>
(5)與所選用功率器件開關(guān)速度相應(yīng)的頻響,。
早前高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯,，下面對(duì)VITROPERM500F鐵基超微晶磁芯與德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能進(jìn)行較，見圖l,。
從以上圖表可以看出兩者有以下區(qū)別：
(1)相同工作頻率(200kHz以下),，非晶材料損耗明顯低于鐵氧體，工作頻率越低,，工作B值越高，非晶材料優(yōu)勢(shì)越明顯,。但在250kHz以上頻段,，鐵氧體損耗要明顯低于非晶材料。
(2)非晶材料損耗隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器熱設(shè)計(jì)的難度,。
(3)非晶材料導(dǎo)磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體,，降低了變壓器設(shè)計(jì)的難度，提高了電源運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,。
(4)非晶材料Bs·μ值是鐵氧體的10～15倍,，意味著變壓器體積重量可以大幅減小。
變壓器設(shè)計(jì)過程中,，最困難的是熱設(shè)計(jì),，變壓器的產(chǎn)熱與多方面的因素有關(guān)，如磁芯損耗,，銅損等,。開關(guān)頻率增加，變壓器的發(fā)熱呈指數(shù)增加,。若采用鐵氧體磁芯,，由于鐵氧體的居里點(diǎn)較低，需對(duì)變壓器磁芯作散熱處理,，工藝制作比較復(fù)雜,。若散熱處理不當(dāng)，鐵氧體磁材高溫下易失磁,，導(dǎo)致電路工作異常,。若采用非晶做變壓器，將工作ΔB由4000高斯提高到100007葛斯,，開關(guān)器件的工作頻率則可以降到100kHz以下,。非晶材料在16～100kHz頻率范圍內(nèi)，損耗／Bs值最低,，相應(yīng)的變壓器匝數(shù)及體積最小,，發(fā)熱量也較小，對(duì)提高整機(jī)效率,，減小模塊電源的體積有巨大幫助,。在采用軟開關(guān)控制技術(shù)的前提下，可以充分發(fā)揮IGBT的低導(dǎo)通壓降,，大電流,，高耐壓的優(yōu)點(diǎn)，大幅度地提高電源的可靠性,。
2 磁芯的選擇
因?yàn)槿珮蜃儞Q器中的變壓器工作在雙端,，對(duì)Br的要求不是很嚴(yán)格，它需要的是2Bm,。但若選用高Br的磁芯,，當(dāng)電源功率較大時(shí)，容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。為此,，對(duì)于中,、大功率的開關(guān)電源，主變壓器選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高,、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B,，低的磁芯。雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高,，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低(<15kHz),，頻率高時(shí)，損耗增加,?？紤]到本課題中的開關(guān)頻率為20kHz，故決定使用鐵基超微晶中低剩磁的磁芯,。
選用鐵基超微晶環(huán)形鐵芯：ONL—1308040,，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=1．25T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br<0．2T,，居里溫度5 lO℃,，初始磁導(dǎo)率μi>30000，最大磁導(dǎo)率μm>50000,，損耗P(0．5T,、20kHz)<30W／kg。外形尺寸：外徑l30mm,，內(nèi)徑80mm,，厚40mm，磁芯有效截面積Ac=7．5cm2.
(1)取設(shè)定工作時(shí),，最大工作磁密Bm=0．5T,，故全橋工作時(shí)ΔB=1T
(2)副邊匝數(shù)的計(jì)算
(3)原副邊匝比的選取
變壓器最小輸入電壓U1=500V，副邊整流后最大輸出電壓U,。=300V,，設(shè)定最大占空比D=0．8，U2=U0／D,，
得N1=13
(4)窗口利用率的計(jì)算
變壓器輸入電流I1=30A,，輸出電流I2=50A，均按照電流密度KJ為2．5A／mm2設(shè)計(jì),；初級(jí)繞組截面積Ar1=12mm2,，次級(jí)繞組截面積Ar2=20mm2窗口面積Aw=50cm2。
窗口利用率：
由于開關(guān)頻率不算太高,，變壓器的繞制采用多股漆包線并繞,，外包抗電強(qiáng)度高,、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙的方式,，保證絕緣等級(jí),。
2 輸出電感的設(shè)計(jì)
1)對(duì)輸出濾波電感的磁芯主要要求有以下幾點(diǎn)：
(1)溫度系數(shù)小，濾波電感的電感量隨時(shí)間的變化率應(yīng)保持最??；
(2)線性度好，在不同的工作電流下電感量的變化??；
(3)濾波電感的電損耗和磁損耗低。
選用鐵基超微晶C D型切口鐵芯：JFQ-078025015040,，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=1．25T,，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br
2)磁芯的選擇
(1)匝數(shù)、氣隙的計(jì)算
設(shè)定工作時(shí),，最大工作磁密Bm=0．8T,，及最大峰值電流I=60A，電感量L=0．15mH
電感定義式
上式中,，Ac是鐵芯的有效截面積,。
磁路歐姆定律
上式中，l0,、lc是空氣隙和鐵芯的長(zhǎng)度,，μ0、μ,。是空氣和鐵芯的磁導(dǎo)率,。
由(5)式可得
由(9)式可求得氣隙長(zhǎng)度
(1)窗口利用率的計(jì)算
濾波電感通過的最大平均電流為50A，按照電流密度KJ為2．5A／mm2設(shè)計(jì),，繞組截面積A,，=20mm2；窗口面積AW=19．5cm2,。
窗口利用率
3 飽和電感的設(shè)計(jì)
1)磁芯的選擇
選用鈷基非晶環(huán)形鐵芯,，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0．53T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=0．5T,，居里溫度210℃,，磁導(dǎo)率μ=90000,。外形尺寸：外徑42mm，內(nèi)徑29mm,，厚l8mm,。磁芯有效截面積Ac=0．82cm2。
2)延遲開通時(shí)間的選擇根據(jù)ZCS的要求選擇0．5μs
3)匝數(shù)的計(jì)算
根據(jù)
式中N為匝數(shù),，tb為延遲開通時(shí)間,，Bs為磁芯的飽和磁密，Ac為磁芯的有效截面積,，ULS為加在飽和電感上的電壓,，約等于Udc。算得N=3
4)窗口利用率的計(jì)算
飽和電感通過的最大平均電流為50A,，按照電流密度KJ為2．5A／mm2設(shè)計(jì),，繞組截面積Ar=20mm2；窗口面積AW=6．6cm2,。
窗口利用率
4 結(jié)束語
通過對(duì)高頻電源模塊的主要磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì),，并應(yīng)用在高頻電源的生產(chǎn)中，很好的解決了磁性元件的損耗和發(fā)熱的問題,，對(duì)高頻電源的穩(wěn)定性有了進(jìn)一步的提高,。
