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高頻變壓器的工作原理
高頻變壓器的工作原理
電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離,作為一種主要的軟磁電磁器件,在電源技術(shù)中和電力電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)傳送功率的大小,電源變壓器可以分為幾檔:10kVA以上為大功率,10kVA至0.5kVA為中功率,0.5kVA至25VA為小功率,25VA以下為微功率。傳送功率不同,電源變壓器的設(shè)計(jì)也不一樣,應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。有人根據(jù)它的主要功能是功率傳送,把英文名“Power Transformers”譯成“功率變壓器”,在許多文獻(xiàn)資料中仍然在使用。究竟是叫“電源變壓器”,還是叫“功率變壓器”好呢?有待于科技術(shù)語(yǔ)方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)來選擇決定。
同一個(gè)英文名稱“Power Transformer”,還可譯成“電力變壓器”。電力變壓器主要用于電力輸配系統(tǒng)中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用,原邊電壓為6kVA以上的高壓,功率最小5kVA,最大超過上萬(wàn)kVA。電力變壓器和電源變壓器,雖然工作原理都是基于電磁感應(yīng)原理,但是電力變壓器既強(qiáng)調(diào)功率傳送大,又強(qiáng)調(diào)絕緣隔離電壓高,無論在磁芯線圈,還是絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上,都與功率傳送小,絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別,更不可能將電力變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)條件生搬硬套地應(yīng)用到電源變壓器中去。電力變壓器和電源變壓器的設(shè)計(jì)方法不一樣,也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。
高頻電源變壓器是工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器,主要用于高頻開關(guān)電源中作高頻開關(guān)電源變壓器,也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機(jī)中作高頻逆變電源變壓器的。按工作頻率高低,可分為幾個(gè)檔次:10kHz-50kHz、50kHz-100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。傳送功率比較大的,工作頻率比較低;傳送功率比較小的,工作頻率比較高。這樣,既有工作頻率的差別,又有傳送功率的差別,工作頻率不同檔次的電源變壓器設(shè)計(jì)方法不一樣,也應(yīng)當(dāng)是不言而喻的。
如上所述,作者對(duì)高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則、要求和程序不存在錯(cuò)誤概念,而是在2003年7月初,閱讀《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設(shè)計(jì)文章后,產(chǎn)生了疑慮,感到有些問題值得進(jìn)一步商討,因此才動(dòng)筆寫本文。正如《電源技術(shù)應(yīng)用》主編寄語(yǔ)所說的那樣:“具體地分析具體情況”,寫的目的,是嘗試把最難詳細(xì)說明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)問題弄清楚。如有說得不對(duì)的地方,敬請(qǐng)幾位作者和廣大讀者指正。
2 高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則
高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品,自然帶有商品的屬性,因此高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則和其他商品一樣,是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。有時(shí)可能偏重性能和效率,有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本。現(xiàn)在,輕、薄、短、小,成為高頻電源的發(fā)展方向,是強(qiáng)調(diào)降低成本。其中成為一大難點(diǎn)的高頻電源變壓器,更需要在這方面下功夫。所以在高頻電源變壓器的“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中,只談性能,不談成本,不能不說是一大缺憾,如果能認(rèn)真考慮一下高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則,追求更好的性能價(jià)格比,傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器,應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本,市場(chǎng)的價(jià)值規(guī)律是無情的!許多性能好的產(chǎn)品,往往由于價(jià)格不能為市場(chǎng)接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產(chǎn)品最后被成本否決。一些“節(jié)能不節(jié)錢”的產(chǎn)品為什么在市場(chǎng)上推廣不開值得大家深思。
產(chǎn)品成本,不但包括材料成本,生產(chǎn)成本,還包括研發(fā)成本,設(shè)計(jì)成本。因此,為了節(jié)約時(shí)間,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),對(duì)高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數(shù)據(jù),對(duì)窗口填充程度、繞組導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案,有什么不好?為什么一定要按步就班的來回進(jìn)行推算和仿真,才不是概念錯(cuò)誤?作者曾在 20世紀(jì)80年代中開發(fā)高頻磁放大器式開關(guān)電源,以溫升最低為條件,對(duì)高頻電源變壓器進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于熱阻難以確定,結(jié)果與試制樣品相差甚遠(yuǎn),不得不再次修正。現(xiàn)在有些公司的磁芯產(chǎn)品說明書中,為了縮短用戶設(shè)計(jì)高頻電源變壓器的時(shí)間,有的列出簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)公式,有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為用戶著想,又推廣公司產(chǎn)品的雙贏行為,是完全符合市場(chǎng)規(guī)律的行為,決不是什么需要辨析的錯(cuò)誤概念。問題是提供的參考數(shù)據(jù),推薦的方案是否是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)?有沒有普遍性?包括“辨析”一文中提出的一些說法,都需要經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn),才能站得住腳。
總之,千萬(wàn)記住:高頻電源變壓器是一種產(chǎn)品(即商品),設(shè)計(jì)原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗(yàn)。
3 高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)要求
以設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn),可以對(duì)高頻電源變壓器提出四項(xiàng)設(shè)計(jì)要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本。
3.1 使用條件
使用條件包括兩方面內(nèi)容:可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性,現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng),必須注意電磁兼容性。
可靠性是指在具體的使用條件下,高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對(duì)高頻電源變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。有些軟磁材料,居里點(diǎn)比較低,對(duì)溫度敏感。例如錳鋅軟磁鐵氧體,居里點(diǎn)只有215℃,磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化,除正常溫度25℃而外,還要給出60℃、80℃、 100℃時(shí)的各種參考數(shù)據(jù)。因此,錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的溫度限制在100℃以下,也就是環(huán)境溫度為40℃時(shí),溫升只允許低于60℃,相當(dāng)于A級(jí)絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件,一般都采用E級(jí)和B級(jí)絕緣材料,采用H級(jí)絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜,是不是大材小用?成本增加多少?是不是因?yàn)镠級(jí)絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,可以使體積減少1/2~1/3的緣故?如果是,請(qǐng)舉具體實(shí)例數(shù)據(jù)。作者曾開發(fā)H級(jí)絕緣工頻 50Hz10kVA干式變壓器,與B級(jí)絕緣工頻50Hz 10kVA干式變壓器相比,體積減小15%到20%,已經(jīng)相當(dāng)可觀了。本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器,如次級(jí)繞組采用三重絕緣線,能把體積減小1/2~1/3,那一定是很寶貴的經(jīng)驗(yàn)。請(qǐng)有關(guān)作者詳細(xì)介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,以便廣大讀者學(xué)習(xí)。
電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對(duì)外界的電磁干擾,又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料,產(chǎn)生的電磁干擾大。例如錳鋅軟磁鐵氧體,磁致伸縮系數(shù)λS為21×10-6(負(fù)六次方),是取向硅鋼的7倍以上,是高磁導(dǎo)坡莫合金和非晶合金的20倍以上,是微晶納米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產(chǎn)生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導(dǎo)線之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此工作頻率為100kHz左右的高頻電源變壓器,沒有特殊原因是不會(huì)產(chǎn)生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz-20kHz,一定有其原因。由于沒有畫出噪聲頻譜圖,具體原因說不清楚,但是由高頻電源變壓器本身產(chǎn)生的可能性不大,沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。至于采用這種粘合工藝可將音頻噪聲降低 5dB,請(qǐng)列出實(shí)例和數(shù)據(jù)和對(duì)噪聲原因的詳細(xì)說明,才會(huì)令人可信。
屏蔽是防止電磁干擾,增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播,在設(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施,只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案,因?yàn)樗荒茏柚馆椛鋫鞑ジ蓴_,不能阻止傳導(dǎo)傳播干擾。
3.2 完成功能
高頻電源變壓器完成功能有三個(gè):功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。
功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式,加在原繞組上的電壓,在磁芯中產(chǎn)生磁通變化,使副繞組感應(yīng)電壓,從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過程中,磁芯又分為磁通單方向變化和磁通雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式,磁通密度從最大值 Bm變化到剩余磁通密度Br,或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值△B=Bm-Br。為了提高△B,希望Bm大,Br小。雙方向變化工作模式磁通度從+ Bm變化到-Bm,或者從-Bm變化到+Bm。磁通密度變化值△B=2Bm,為了提高△B,希望Bm大,但不要求Br小,不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式,變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān),第二種是電感器功率傳送方式,原繞組輸入的電能,使磁芯激磁,變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來,然后通過去磁使副繞組感應(yīng)電壓,變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率決定于電感磁芯儲(chǔ)能,而儲(chǔ)能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān),磁導(dǎo)率高,電感量大,儲(chǔ)能多。而不直接與磁通密度有關(guān)。雖然功率傳送方式不同,要求的磁芯參數(shù)不一樣,但是在高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中,磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。在電源變壓器“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中,很遺憾缺少這一個(gè)主要內(nèi)容。只是“降低交流損耗”一節(jié)中,提出BAC典型值為0.04-0.075T。顯然,文中的高頻電源變壓器采用電感功率傳送方式,為什么不提磁導(dǎo)率,而提BAC弄不清楚。經(jīng)查閱,在《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1-2期,同一主要作者寫的開關(guān)電源“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中,列出一節(jié)“磁芯的選擇”,也沒有提磁導(dǎo)率,只是提出最大磁通密度Bm為0.275T。由于沒有畫磁通密度變化波形,弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致:為什么BAC和Bm 相差6.8~3.7倍?更不清楚,選的那一種軟磁鐵氧體材料?為什么選這種型號(hào)??jī)晌闹卸紱]有一點(diǎn)說明,只好讓讀者自己去猜想了。
電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數(shù)比來完成。不管功率傳送是那一種方式,原邊和副邊的電壓變換比等于原和副繞組匝數(shù)比。繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)成多少,只要不改變?cè)褦?shù)比,就不影響電壓變換。但是繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān)。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比。有趣的是,漏感能不能規(guī)定一個(gè)數(shù)值?《電源技術(shù)應(yīng)用》 2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著不同的說法。“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中說:“對(duì)于一符合絕緣及安全標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器,其漏感量應(yīng)為次級(jí)開路時(shí)初級(jí)電感量的1%~3%”。“辨析”一文中說:“在很多技術(shù)單上,標(biāo)注著漏感=1%的磁化電感或漏感<2%的磁化電感等類似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè)。電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求,對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制。在制作變壓器的過程中,應(yīng)在不使變壓器的其它參數(shù)(如匝間電容等)變差的情況下盡可能減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求”。“否則這將表明你不理解漏感知識(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值”。雖然兩篇文章說法不一樣,但是有一點(diǎn)是共同的,就是盡可能減小漏感值。因?yàn)槁└兄荡螅瑑?chǔ)存的能量也大,在電源開關(guān)過程中突然釋放,會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓,增加開關(guān)器件承受的電壓峰值,也對(duì)絕緣不利,產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾。
絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。為了保證繞組之間的絕緣,必須增加兩個(gè)繞組之間的距離,從而降低繞組間的耦合程度,使漏感增大。還有,原繞組一般為高壓繞組,匝數(shù)不能太少,否則,匝間或者層間電壓相差大,會(huì)引起局部短路。這樣,匝數(shù)有下限,使漏感也有下限。總之,在高頻電源變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要統(tǒng)籌考慮漏感和絕緣強(qiáng)度問題。3.3 提高效率
提高效率是現(xiàn)在對(duì)電源和電子設(shè)備的普遍要求。雖然從單個(gè)高頻電源變壓器來看,損耗不大。例如,100VA高頻電源變壓器,效率為98%時(shí),損耗只有2W,并不多。但是成十萬(wàn)個(gè),成百萬(wàn)個(gè)高頻電源變壓器,總損耗可能達(dá)到上十萬(wàn)W,上百萬(wàn)W。還有,許多高頻電源變壓器一直長(zhǎng)期運(yùn)行,年總損耗相當(dāng)可觀,有可能達(dá)到上千萬(wàn)kWh。這樣,高頻電源變壓器提高效率,可以節(jié)約電力。節(jié)約電力后,可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放廢氣、廢水、煙塵和灰渣,減少對(duì)環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源,又具有環(huán)境保護(hù)的雙重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此提高效率是高頻電源變壓器一個(gè)主要的設(shè)計(jì)要求,一般效率要提高到95%以上,損耗要減少到5%以下。
高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗(鐵損)和繞組損耗(銅損)。有人關(guān)心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個(gè)比例是隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化的。如果變壓器的外加電壓不變,工作頻率越低,繞組匝數(shù)越多,銅損越大。因此在 50Hz工頻下,銅損遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵損。例如:50Hz 100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器,銅損為鐵損的5倍左右。50Hz100kVA SH11型三相油浸式非晶合金電力變壓器,銅損為鐵損的20倍左右。工頻電源變壓器的銅損也比鐵損大許多。并不存在“辨析”一文中所說那樣,工頻變壓器從熱穩(wěn)定熱均勻角度出發(fā),把銅損等于鐵損作為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則。隨著工作頻率升高,繞組匝數(shù)減少,雖然由于趨表效應(yīng)和鄰近效應(yīng)存在而使繞組損耗增加,但是總的趨勢(shì)是銅損隨著工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗,隨著工作頻率升高而迅速增大。在某一段工作頻率,有可能出現(xiàn)銅損和鐵損相等的情況,超過這一段工作頻率,鐵損就大于銅損。造成鐵損不等于銅損的原因,也并不象“辨析”一文中所說那樣是由于“高頻變壓器采用非常細(xì)的漆包線作為繞組”。導(dǎo)線粗細(xì)的選擇,雖然受趨表效應(yīng)影響,但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來決定,與工作頻率不存在直接關(guān)系。而且,選用非常細(xì)的漆包線作為繞組,反而會(huì)增加銅損,延緩銅損的下降趨勢(shì)。說不定在設(shè)計(jì)選定的工作頻率下,還有可能出現(xiàn)銅損等于鐵損的情況。根據(jù)有的資料介紹,中小功率高頻電源變壓器的工作頻率在 100kHz左右,鐵損已經(jīng)大于銅損,而成為高頻電源變壓器損耗的主要部分。正因?yàn)殍F損是高頻電源變壓器損耗的主要部分,因此根據(jù)鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。鐵損也成為評(píng)價(jià)軟磁芯材料的一個(gè)主要參數(shù)。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關(guān),在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí),必須說明在什么工作磁通密度下和在在什么工作頻率下?lián)p耗。用符號(hào)表示時(shí),也必須標(biāo)明:Psπ其中工作磁通密度B的單位是T(特斯拉),工作頻率f的單位是Hz(赫芝)。例如Pos/doo表示工作磁能密度為0.5T,工作頻率為400Hz時(shí)的損耗。又例如()表示工作磁通密度為0.1T,工作頻率為 100kHz時(shí)的損耗。鐵損還與工作溫度有關(guān),在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí),必須指明它的工作溫度,特別是軟磁鐵氧體材料,對(duì)溫度變化比較敏感,在產(chǎn)品說明書中都要列出25℃至100℃的鐵損。
軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限,常常是鐵損限制使用的工作磁通密度的上限。所以在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類標(biāo)準(zhǔn)中把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積B×f,作為材料的性能因子,并說明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)性能因子把軟磁鐵氧體材料分為 PW1、PW2、PW3、PW4、PW5五類,性能因子越高的,工作頻率越高,極限頻率也越高。例如,PW3類軟磁鐵氧體材料,工作頻率為100kHz,極限頻率為300kHz,性能因子B×f為10000mT×kHz,即在100mT(0.1T)和100kHz下,100℃時(shí)損耗a級(jí)為 ≤300kW/m3(300mw/cm3),b級(jí)為≤150kW/m3(150mw/cm3)。日本TDK公司生產(chǎn)的PC44型號(hào)軟磁鐵氧體材料達(dá)到 PW3a級(jí)標(biāo)準(zhǔn),達(dá)不到PW3的b級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時(shí)的損耗應(yīng)低于 50mW/cm3,沒指明是選那一類軟磁鐵氧體材料,也沒說明損耗對(duì)應(yīng)的工作磁通密度。讀者只好去猜:損耗對(duì)應(yīng)的工作磁通密度是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003 年6期“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的BAC典型值0.04-0.075T?還是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1~2期“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的Bm值0.237T?不管是0.075T,還是0.237T?要達(dá)到100kHz下鐵損低于50mW/cm3的鐵氧體材料是非常先進(jìn)的。
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