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高频链中高频变压器的分析与设计
龙海峰1，呙道静2，郭世明1
(1.西南交通大学，四川 成都 610031）
(2.国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210003）
摘 要：高频链逆变技术用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大大减小了逆变器的体积和重量。在高频链的硬件电路设计中，高频变压器是重要的一环。叙述了高频变压器的设计过程。实验结果证明该设计满足要求。
关键词：高频链；高频变压器；逆变器
Analysis and Design of
Highfrequency Transformer in Highfrequency Link
LONG Haifeng1,GUO Daojing2,GUO Shiming1
(1.Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031 China)
(2.Nanjing Automation Co Ltd, Nanjing Jiangsu 210003 China)
Abstract:By the means of the HF link inverter technique, the heavy and bulky commercial frequency transformers in conventional inverters can be replaced by small HF transformers. Hence, the size and weight of system can be greatly reduced. In HF link, the design of HF transformer is important. The HF transformer′s design procedure is described. The experimental results verified that the HF transformer is satisfied.
Keywords:highfrequency link; highfrequency transformer; inverter
0 引言
MESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念[1]。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大的不同，在于利用高频变压器实现了输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重量。近年来，高频链技术引起人们越来越多的兴趣。
1 概述
图1是传统的逆变器框图。其缺点是采用了笨重庞大的工频变压器和滤波电感，导致效率低，噪音大，可靠性差。另外，谐波含量大，波形畸变严重，与要求的优质正弦波相差甚远。
图2所示为电压源高频链逆变器的框图，该方案是当今研究的最先进方案[2]，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的优点，诸如，以小型的高频变压器替代工频变压器；只有两级功率变换；正弦波质量高；控制灵活等。
高频变压器是高频链的核心部件，肩负着隔离和传输功率的重任，其性能好坏直接决定逆变器的性能好坏。不合格的变压器温升高，效率低，漏感严重，输出波形畸变大，直接影响电路的稳定性和可靠性，甚至损坏开关器件，导致实验失败。
2 高频变压器的设计
设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。各种磁芯物理性能及价格比如表1所列。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比较小，常使用在开关电源中。本文采用的就是铁氧体材料。
高频变压器的设计通常采用两种方法[3]：第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP（AP=AW×Ae，称磁芯面积乘积），根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。本文详细讨论如何用AP法设计高频变压器。
原边NP匝，副边Ns匝的变压器，在NP匝上以电压V1开关工作时，根据法拉第定律，有
式中：Kf为波形系数，即有效值和平均值之比，正弦波为4.44，方波为4；
fs为工作频率；
BW为工作磁通密度。
铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数Ko（一般取0.4）为有效面积，该面积为原边绕组NP占据的窗口面积 与副边绕组Ns占据的窗口面积 之和，即
每匝所占用面积与流过该匝的电流值I和电流密度J有关，如式（4）所示。
电流密度J直接影响到温升，亦影响到AWAe，其关系可用式（6）表示。
式中：KJ为电流密度系数；
X为常数，由所用磁芯确定。
式中：AP单位为cm4，其余的单位为国际单位制。
视在功率随线路结构不同而不同。如图3所示。
变压器效率为η，则在图3（a）中
本文采用图3（b）的结构，VDC=24 V，Po=250 W，设η=0.95，则
若采用E型磁芯，允许温升25℃，则有KJ=323，X=－0.14。饱和磁密约为0.35 T，考虑到高温时饱和磁密会下降，同时，为了防止合闸瞬间高频变压器饱和，取饱和磁密的1/3为变压器的工作磁密，即BW=0.117 T。工作频率为20 kHz，由式（7）可得
取10％的裕度，即AP=6.65×（1＋10％）≈7.28 cm4，查手册选取E17铁氧体磁芯，其AW=2.56 cm2，Ae=3.80 cm2，AP=9.73 cm4，满足要求。
确定磁芯材料后，则其他参数计算如下：
1）原边绕组匝数NP
6）副边绕组裸线面积AXS注意中间抽头变压器Io须乘0.707的校正系数，则
3 实验结果
实验采用图3（b）的结构，参数如下：
输入电压 DC 24 V；
开关频率 20 kHz；
占空比 D=0.75；
输出电压 AC 220 V；
输出功率 250 W；
输出频率 50 Hz；
变压器磁芯 E17铁氧体磁芯；
原边绕组匝数 7匝；
副边绕组匝数 121匝。
该高频链工作稳定可靠，噪声很小，实验结果证明该高频变压器满足实际要求。
4 结语
1）设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。
2）在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。
3）本文采用的工作频率为20 kHz，由于工作频率较高，趋肤效应影响比较大，因此，在设计时应注意趋肤效应引起的有效面积的减少。
参考文献
[1] Sspelage P M, Bose B K. High Frequency Link PowerConversion[J]. IEEE Trans on 1A,1977,13(5):388－394.
[2] Yamato I Kuo, New Conversion System for UPS UsingHigh Frequency Link[A]. IEEE PESC[C].1989:658－663.
[3] 张占松.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社, 1998.
[4] 电子变压器专业委员会.电子变压器手册[Z].沈阳:辽宁科学技术出版社，1998.
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