高頻開關電源重要磁性元件的設計

引言

在電力直流系統中，由于普遍采用高頻模塊，關于高頻模塊的設計是功率越來越大，而體積卻是越來越小，這就對其設計提出了一個關鍵的問題，那就是如何解決磁性元件的損耗及發熱問題。

高頻開關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，溫度穩定好，剩磁小，損耗低等。在非晶材料出現以前，共模電感重要采用高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。這些材料應用技術成熟，種類也很豐富，并有各種各樣的產品形狀供選擇。隨著非晶材料的出現和技術不斷成熟，在開關電源設計中，非晶材料表現出許多其它材料無法比擬的優點。幾種常用磁性材料基本性能比較如表l。

1主變壓器的設計

關于高頻開關電源的重要發熱元件，主變壓器的設計尤其重要，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特點

(1)低損耗；

(2)高的飽和磁感應強度且溫度系數小；

(3)寬工作溫度范圍；

(4)μ值隨B值變化小；

(5)與所選用功率器件開關速度相應的頻響。

早前高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯，下面對VITROpERM500F鐵基超微晶磁芯與德國西門子公司生產的N67系列鐵氧體磁芯的性能進行較，見圖l。

從以上圖表可以看出兩者有以下差別：

(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，非晶材料優勢越明顯。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，降低了變壓器熱設計的難度。

(3)非晶材料導磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器設計的難度，提高了電源運行的穩定性和可靠性。

(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。

變壓器設計過程中，最困難的是熱設計，變壓器的產熱與多方面的因素有關，如磁芯損耗，銅損等。開關頻率新增，變壓器的發熱呈指數新增。若采用鐵氧體磁芯，由于鐵氧體的居里點較低，需對變壓器磁芯作散熱處理，工藝制作比較復雜。若散熱處理不當，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導致電路工作異常。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，損耗／Bs值最低，相應的變壓器匝數及體積最小，發熱量也較小，對提高整機效率，減小模塊電源的體積有巨大幫助。在采用軟開關控制技術的前提下，可以充分發揮IGBT的低導通壓降，大電流，高耐壓的優點，大幅度地提高電源的可靠性。

2磁芯的選擇

因為全橋變換器中的變壓器工作在雙端，對Br的要求不是很嚴格，它要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯，當電源功率較大時，容易出現飽和現象。為此，關于中、大功率的開關電源，主變壓器選用飽和磁感應強度Bs高、剩余磁感應強度B，低的磁芯。雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應強度Bs高，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低(<15kHz)，頻率高時，損耗增加。考慮到本課題中的開關頻率為20kHz，故決定使用鐵基超微晶中低剩磁的磁芯。

選用鐵基超微晶環形鐵芯：ONL—1308040，該磁芯的飽和磁感應強度Bs=1．25T，剩余磁感應強度Br<0．2T，居里溫度5lO℃，初始磁導率μi>30000，最大磁導率μm>50000，損耗p(0．5T、20kHz)<30W／kg。外形尺寸：外徑l30mm，內徑80mm，厚40mm，磁芯有效截面積Ac=7．5cm2.

(1)取設定工作時，最大工作磁密Bm=0．5T，故全橋工作時ΔB=1T

(2)副邊匝數的計算

(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，設定最大占空比D=0．8，U2=U0／D，

得N1=13

(4)窗口利用率的計算

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設計；初級繞組截面積Ar1=12mm2，次級繞組截面積Ar2=20mm2窗口面積Aw=50cm2。

窗口利用率：

由于開關頻率不算太高，變壓器的繞制采用多股漆包線并繞，外包抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙的方式，保證絕緣等級。

2輸出電感的設計

1)對輸出濾波電感的磁芯重要要求有以下幾點：

(1)溫度系數小，濾波電感的電感量隨時間的變化率應保持最小；

(2)線性度好，在不同的工作電流下電感量的變化小；

(3)濾波電感的電損耗和磁損耗低。

選用鐵基超微晶CD型切口鐵芯：JFQ-078025015040，該磁芯的飽和磁感應強度Bs=1．25T，剩余磁感應強度Br

2)磁芯的選擇

(1)匝數、氣隙的計算

設定工作時，最大工作磁密Bm=0．8T，及最大峰值電流I=60A，電感量L=0．15mH

電感含義式

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度，μ0、μ。是空氣和鐵芯的磁導率。

由(5)式可得

由(9)式可求得氣隙長度

(1)窗口利用率的計算

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設計，繞組截面積A，=20mm2；窗口面積AW=19．5cm2。

窗口利用率

3飽和電感的設計

1)磁芯的選擇

選用鈷基非晶環形鐵芯，該磁芯的飽和磁感應強度Bs=0．53T，剩余磁感應強度Br=0．5T，居里溫度210℃，磁導率μ=90000。外形尺寸：外徑42mm，內徑29mm，厚l8mm。磁芯有效截面積Ac=0．82cm2。

2)延遲開通時間的選擇根據ZCS的要求選擇0．5μs

3)匝數的計算

根據

式中N為匝數，tb為延遲開通時間，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設計，繞組截面積Ar=20mm2；窗口面積AW=6．6cm2。

窗口利用率

4結束語

通過對高頻電源模塊的重要磁性元件的優化設計，并應用在高頻電源的生產中，很好的解決了磁性元件的損耗和發熱的問題，對高頻電源的穩定性有了進一步的提高。