摘要：高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。在高頻鏈的硬件電路設(shè)計(jì)中，高頻變壓器是重要的一環(huán)。敘述了高頻變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該設(shè)計(jì)滿足要求。

    關(guān)鍵詞：高頻鏈；高頻變壓器；逆變器

    引言

    MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念[1]。高頻鏈逆變技術(shù)與常規(guī)的逆變技術(shù)最大的不同，在于利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電氣隔離，減小了變壓器的體積和重量。近年來(lái)，高頻鏈技術(shù)引起人們?cè)絹?lái)越多的興趣。

    1 概述

    圖1是傳統(tǒng)的逆變器框圖。其缺點(diǎn)是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感，導(dǎo)致效率低，噪音大，可靠性差。另外，諧波含量大，波形畸變嚴(yán)重，與要求的優(yōu)質(zhì)正弦波相差甚遠(yuǎn)。

                  

    圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當(dāng)今研究的最先進(jìn)方案[2]，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優(yōu)點(diǎn)，諸如，以小型的高頻變壓器替代工頻變壓器；只有兩級(jí)功率變換；正弦波質(zhì)量高；控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件，肩負(fù)著隔離和傳輸功率的重任，其性能好壞直接決定逆變器的性能好壞。不合格的變壓器溫升高，效率低，漏感嚴(yán)重，輸出波形畸變大，直接影響電路的穩(wěn)定性和可靠性，甚至損壞開關(guān)器件，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

    2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)高頻變壓器首先應(yīng)該從磁芯開始。開關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場(chǎng)下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。各種磁芯物理性能及價(jià)格比如表1所列。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比較小，常使用在開關(guān)電源中。本文采用的就是鐵氧體材料。

    表1 各種磁芯特性比較表
    

    高頻變壓器的設(shè)計(jì)通常采用兩種方法[3]：第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP（AP=AW×Ae，稱磁芯面積乘積），根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號(hào)；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)討論如何用AP法設(shè)計(jì)高頻變壓器。

原邊NP匝，副邊Ns匝的變壓器，在NP匝上以電壓V1開關(guān)工作時(shí)，根據(jù)法拉第定律，有
V1=KffsNPBWAe    （1）
式中：Kf為波形系數(shù)，即有效值和平均值之比，正
弦波為4.44，方波為4；
fs為工作頻率；
BW為工作磁通密度。

NP=V1/(KffsBwAe)    (2)
鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數(shù)Ko（一般取04）為有效面積，該面積為原邊繞組NP占據(jù)的窗口面積NPAP′與副邊繞組Ns占據(jù)的窗口面積NsAs′之和，即

KoAW=NPAP′＋NsAs′    （3）

式中：AP′及As′分別為原、副邊繞組每匝的截面積。

每匝所占用面積與流過(guò)該匝的電流值I和電流密度J有關(guān)，如式（4）所示。
AP′=I1/J
As′=I2/J    (4)

將式（4）代入式（3），則得
KoAW=(V1/KffsBwAe)I1/J＋(V2/KffsBwAc)(I2/J)

即AWAe=(V1I1+V2I2)/(KoKffsBwJ)    (5)
電流密度J直接影響到溫升，亦影響到AWAe，其關(guān)系可用式（6）表示。

J=KJ(AWAe)X    (6)
式中：KJ為電流密度系數(shù)；X為常數(shù)，由所用磁芯確定。
若變壓器的視在功率PT=V1I1＋V2I2，則
AWAe=(PT)/(KoKffsBwJ(AWAe)x

即AP=(PT×10 4)/(KoKffsBwKJ)(1/1+X)    (7)
式中：AP單位為cm4，其余的單位為國(guó)際單位制。
視在功率隨線路結(jié)構(gòu)不同而不同。如圖3所示。變壓器效率為η，則在圖3（a）中
PT=Po＋Pi=Po＋Po/η=Po(1+1/η)

在圖3（b）中
    

在圖3（c）中
  

本文采用圖3（b）的結(jié)構(gòu)，VDC=24V，Po=250W，設(shè)η=0.95，則