高频电源用干式变压器的设计原则、要求和程序

从高频电源这一产品出发，阐述了其设计原则和要求，并介绍了其设计步骤。关键词：高频电源；设计原则；设计要求；电源的作用是输电、电压转换和绝缘。作为一种主要的软磁电磁元件，它被广泛应用于电源技术和电力电子技术中。根据传输功率，功率干式变压器可分为几个等级：10kVA以上的高功率、10kVA~0.5kVA之间的中功率、0.5 kva ~ 25VA之间的低功率、25VA以下的微功率。不言而喻，干式电力变压器的设计因传输功率的不同而不同。根据其主要功能是输电，有人将英文名称“电力变压器”翻译成“电力干式变压器”，许多文献中仍在使用。是叫“电力干式变压器”还是“电力干式变压器”？选择和决定是由科技术语决定的。同样的英文名称“电力变压器”也可以翻译成“电力干式变压器”。电力干式变压器主要用于输配电系统中的输电、电压转换和绝缘。一次电压为6kV以上的高压，较小功率5kVA，较大功率超过数万kVA。虽然电力干式变压器和电力干式变压器的工作原理是基于电磁感应原理，但电力干式变压器既强调大功率传输，又强调高绝缘电压，这与小功率传输、低绝缘电压的电力干式变压器在磁芯线圈和绝缘结构设计上有显著区别，不能机械地将电力干式变压器的优化设计阈值应用于电力干式变压器。不言而喻，电力干式变压器和电力干式变压器的设计方法是不同的。高频电源干式变压器是工作频率超过中频(10kHz)的电源干式变压器。主要用作高频开关电源中的高频开关电源干式变压器，也用作高频逆变电源和高频逆变焊机中的高频逆变电源干式变压器。按工作频率可分为10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz及1MHz以上几个等级。发射功率比较大，工作频率比较低；发射功率比较小，工作频率比较高。这样，工作频率和传输功率就存在差异，不同工作频率的干式电力变压器设计方法也就不言而喻了。如上所述，作者对高频电源用干式变压器的设计原则、要求和程序没有错误的概念。而是在2003年7月初，看了2003年6号《电源技术应用》特别推荐的两篇关于高频磁性元件设计的文章，有所怀疑，觉得有些问题值得进一步探讨，于是开始写这篇文章。正如主编《电源技术应用》的留言所说：“具体情况具体分析”，写作的目的是试图阐明高频电源用干式变压器的设计，这是较难详细讲解和选择的磁性元件之一。如有不妥，请几位作者和读者指正。2高频电力干式变压器的设计原则高频电力干式变压器作为一种产品，自然具有商品属性，所以高频电力干式变压器的设计原则和其他商品一样，是在特定的使用门槛下，追求在完成特定功能时的较佳性价比。有时可能侧重于性能和效率，有时可能侧重于价格和成本。现在，轻、薄、短、小已经成为高频电源的发展方向，重点是降低成本。其中高频电源的干式变压器已经成为一大难点，需要在这方面下功夫。所以在高频功率干式变压器的“设计要领”一文中，只讲性能，不讲成本，是一个很大的弊端。如果能认真考虑高频功率干式变压器的设计原则，追求更好的 #p#分页标题#e#

不计成本，市值法则无情！很多性能好的产品往往因为价格无法被市场接受而被冷落淘汰。往往一个新产品较后被成本否决。为什么有些“节能不省钱”的产品不能在市场上推广，值得深思。产品成本不仅包括材料成本和生产成本，还包括研发成本和设计成本。因此，为了节省时间，根据以往的经验，对铁损铜损比、漏电感和励磁电感比、一次绕组损耗比和二次绕组损耗比、电流密度提供了一些参考数据，对窗口填充度、绕组线和结构推荐了一些方案。怎么了？为什么要一步一步的来回计算模拟，这不是概念上的错误？作者于20世纪80年代开发了高频磁放大器开关电源，并以较低温升为阈值优化了高频电源的干式变压器。由于热阻难以确定，结果与试制样品相差甚远，不得不再次修改。为了缩短用户设计高频电源用干式变压器的时间，现在有的公司的磁芯产品规格列出了简化的设计公式，有的公司用表格列出了某一工作频率下磁芯的传输功率。这种为了用户，推广公司产品的双赢行为，完全符合市场规律，绝不是一个需要辨析的错误概念。问题是提供的参考数据。推荐的方案是经验总结吗？是否具有普遍性？包括“歧视”，都需要实践检验才能成立。总之，必须记住，高频功率干式变压器是一种产品(即商品)，设计原则是在特定使用阈值下执行特定功能时达到较佳性价比。测试设计的唯一标准是设计出来的产品是否经得起市场的检验。3高频功率干式变压器的设计要求根据设计原则，可以对高频功率干式变压器提出四个设计要求：使用阈值、完成功能、提高效率、降低成本。3.1使用阈值使用阈值包括可靠性和电磁兼容性两个方面。以前只注重可靠性，现在因为环保意识增强，必须注重电磁兼容。可靠性是指高频供电的干式变压器能够正常工作，直到其使用寿命低于特定的使用阈值。一般情况下，环境温度对高频电源干式变压器的影响较大。有些软磁材料居里点低，对温度敏感。例如：锰锌软磁

氧体，居里点只有215℃，其磁通密度，磁导率和损耗都随温度发生变化，故除正常温度25℃外，还要给出60℃，80℃，100℃时的各种参考数据。因此，将锰锌软磁铁氧体磁芯的工作温度限制在100℃以下，也就是环境温度为40℃时，温升只允许低于60℃，相当于A级绝缘材料温度。与锰锌软磁铁氧体磁芯相配套的电磁线和绝缘件，一般都采用E级和B级绝缘材料，采用H级绝缘的三重绝缘电磁线和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因为H级绝缘的高频电源干式变压器优化的设计方案，可以使体积减少1/2～1/3的缘故?如果是，请举具体实例数据。作者曾开发H级绝缘工频50Hz，10kVA干式变压器，与B级绝缘工频50Hz，10kVA干式变压器相比，体积减小15％到20％，已经相当可观了。本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源干式变压器，如次级绕组采用三重绝缘线，能把体积减小1/2～1/3，那一定是很宝贵的经验。请有关作者详细介绍优化设计方案，以便广大读者学习。电磁兼容性是指高频电源干式变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可闻的音频噪声和不可闻的高频噪声。高频电源干式变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩大的软磁材料，产生的电磁干扰大。例如，锰锌软磁铁氧体，磁致伸缩系数λS为21×10－6，是取向硅钢的7倍以上，是高磁导坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶纳米晶合金的10倍以上。因此锰锌软磁铁氧体磁芯产生的电磁干扰大。高频电源干式变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源干式变压器的工作频率一致。因此，工作频率为100kHz左右的高频电源干式变压器，没有特殊原因是不会产生20kHz以下音频噪声的。既然提出10W以下单片开关电源的音频噪声频率，约为10kHz～20kHz，一定有其原因。由于没有画出噪声频谱图，具体原因说不清楚，但是由高频电源干式变压器本身产生的可能性不大，没有必要采用玻璃珠胶合剂粘合磁芯。至于采用这种粘合工艺可将音频噪声降低5dB，请给出实例与数据以及对噪声原因的详细说明，才会令人可信。屏蔽是防止电磁干扰，增加高频电源干式变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源干式变压器的电磁干扰传播，在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施，只靠加外屏蔽带并不一定是较佳方案，因为它只能阻止辐射干扰，不能阻止传导干扰。3.2 完成功能高频电源干式变压器完成功能有3个：功率传送，电压变换和绝缘隔离。功率传送有两种方式。较好种是干式变压器功率的传送方式，加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边。在功率传送过程中，磁芯又分为磁通单方向变化和双方向变化两种工作模式。单方向变化工作模式，磁通密度从较大值Bm变化到剩余磁通密度Br，或者从Br变化到Bm。磁通密度变化值ΔB=Bm－Br。为了提高ΔB，希望Bm大，Br小。双方向变化工作模式磁通度从＋Bm变化到－Bm，或者从－Bm变化到＋Bm。磁通密度变化值ΔB=2Bm，为了提高ΔB，希望Bm大，但不要求Br小，不论是单方向变化工作模式还是双方向变化工作模式，干式变压器功率传送方式都不直接与磁芯磁导率有关。第二种是电感器功率传送方式，原绕组输入的电能，使磁芯激磁，变为磁能储存起来，然后通过去磁使副绕组感应电压，变成电能释放给负载。传送功率决定于电感磁芯储能，而储能又决定于原绕组的电感。电感与磁芯磁导率有关，磁导率高，电感量大，储能多，而不直接与磁通密度有关。虽然功率传送方式不同，要求的磁芯参数不一样，但是在高频电源干式变压器设计中，磁芯的材料和参数的选择仍然是设计的一个主要内容。在电源干式变压器“设计要点”一文中，很遗憾缺少这一个主要内容。只是在“交流损耗”一条中，提出BAC典型值为0.04～0.075T。显然，文中的高频电源干式变压器是采用电感功率传送方式，为什么不提磁导率，而提BAC弄不清楚。经查阅，在《电源技术应用》2003年1/2期，同一主要作者写的开关电源“设计要点”一文中，列出了“磁芯的选择”，也没有提磁导率，只是提出较大磁通密度Bm为0.275T。由于没有画磁通密度变化波形，弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致：为什么BAC和Bm相差6.8～3.7倍？更不清楚，选的是哪一种软磁铁氧体材料？为什么选这种型号？两文中都没有一点说明，只好让读者自己去猜想了。电压变换通过原边和副边绕组匝数比来完成。不管功率传送是哪一种方式，原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比，只要不改变匝数比，就不影响电压变换。但是，绕组匝数与高频电源干式变压器的漏感有关。漏感大小与原绕组匝数的平方成正比。有趣的是，漏感能不能规定一个数值？《电源技术应用》2003年第6期同时刊登的两篇文章有着不同的说法。“设计要点”一文中说：“对于一符合绝缘及安全标准的高频干式变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的1％～3％”。“辨析”一文中说：“在很多技术单上，标注着漏感=1％的磁化电感或漏感 来源：佳工机电网#p#分页标题#e#