電力直流系統(tǒng)中高頻開關(guān)電源磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　引言

　　在電力直流系統(tǒng)中，由于普遍采用高頻模塊，對于高頻模塊的設(shè)計(jì)是功率越來越大，而體積卻是越來越小，這就對其設(shè)計(jì)提出了一個關(guān)鍵的問題，那就是如何解決磁性元件的損耗及發(fā)熱問題。

　　高頻開關(guān)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(wěn)定好，剩磁小，損耗低等。在非晶材料出現(xiàn)以前，共模電感主要采用高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(yīng)用技術(shù)成熟，種類也很豐富，并有各種各樣的產(chǎn)品形狀供選擇。隨著非晶材料的出現(xiàn)和技術(shù)不斷成熟，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，非晶材料表現(xiàn)出許多其它材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。幾種常用磁性材料基本性能比較如表l。

　　1 主變壓器的設(shè)計(jì)

　　對于高頻開關(guān)電源的主要發(fā)熱元件，主變壓器的設(shè)計(jì)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(diǎn)

　　(1)低損耗;

　　(2)高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度且溫度系數(shù)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(guān)速度相應(yīng)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(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能進(jìn)行較，見圖l。

　　從以上圖表可以看出兩者有以下區(qū)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(yōu)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(shè)計(jì)的難度。

　　(3)非晶材料導(dǎo)磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器設(shè)計(jì)的難度，提高了電源運(yùn)行的穩(wěn)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(shè)計(jì)過程中，最困難的是熱設(shè)計(jì)，變壓器的產(chǎn)熱與多方面的因素有關(guān)，如磁芯損耗，銅損等。開關(guān)頻率增加，變壓器的發(fā)熱呈指數(shù)增加。若采用鐵氧體磁芯，由于鐵氧體的居里點(diǎn)較低，需對變壓器磁芯作散熱處理，工藝制作比較復(fù)雜。若散熱處理不當(dāng)，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導(dǎo)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(guān)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(nèi)，損耗/Bs值最低，相應(yīng)的變壓器匝數(shù)及體積最小，發(fā)熱量也較小，對提高整機(jī)效率，減小模塊電源的體積有巨大幫助。在采用軟開關(guān)控制技術(shù)的前提下，可以充分發(fā)揮IGBT的低導(dǎo)通壓降，大電流，高耐壓的優(yōu)點(diǎn)，大幅度地提高電源的可靠性。

　　2 磁芯的選擇

　　因?yàn)槿珮蜃儞Q器中的變壓器工作在雙端，對Br的要求不是很嚴(yán)格，它需要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯，當(dāng)電源功率較大時，容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。為此，對于中、大功率的開關(guān)電源，主變壓器選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B，低的磁芯。雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(guān)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(huán)形鐵芯：ONL—1308040，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=1.25T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br<0.2T，居里溫度5 lO℃，初始磁導(dǎo)率μi>30000，最大磁導(dǎo)率μm>50000，損耗P(0.5T、20kHz)<30W/kg。外形尺寸：外徑l30mm，內(nèi)徑80mm，厚40mm，磁芯有效截面積Ac=7.5cm2.

　　(1)取設(shè)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(shù)的計(jì)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(shè)定最大占空比D=0.8，U2=U0/D，

　　得N1=13

　　(4)窗口利用率的計(jì)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(shè)計(jì);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(guān)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(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙的方式，保證絕緣等級。

　　2 輸出電感的設(shè)計(jì)

　　1)對輸出濾波電感的磁芯主要要求有以下幾點(diǎn)：

　　(1)溫度系數(shù)小，濾波電感的電感量隨時間的變化率應(yīng)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C D型切口鐵芯：JFQ-078025015040，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=1.25T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br

　　2)磁芯的選擇

　　(1)匝數(shù)、氣隙的計(jì)算

　　設(shè)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

　　電感定義式

　　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(dǎo)率。

　　由(5)式可得

　　由(9)式可求得氣隙長度

　　(1)窗口利用率的計(jì)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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)

　　1)磁芯的選擇

　　選用鈷基非晶環(huán)形鐵芯，該磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.53T，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=0.5T，居里溫度210℃，磁導(dǎo)率μ=90000。外形尺寸：外徑42mm，內(nèi)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(jù)ZCS的要求選擇0.5μs

　　3)匝數(shù)的計(jì)算

　　根據(jù)

　　式中N為匝數(shù)，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(jì)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(shè)計(jì)，繞組截面積Ar=20mm2;窗口面積AW=6.6cm2。

　　窗口利用率

　　4 結(jié)束語

　　通過對高頻電源模塊的主要磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用在高頻電源的生產(chǎn)中，很好的解決了磁性元件的損耗和發(fā)熱的問題，對高頻電源的穩(wěn)定性有了進(jìn)一步的提高。