高頻電源用干式變壓器的設計原則、要求和程序

從高頻電源這一產(chǎn)品出發(fā)，闡述了其設計原則和要求，并介紹了其設計步驟。關(guān)鍵詞：高頻電源；設計原則；設計要求；電源的作用是輸電、電壓轉換和絕緣。作為一種主要的軟磁電磁元件，它被廣泛應用于電源技術(shù)和電力電子技術(shù)中。根據傳輸功率，功率干式變壓器可分為幾個(gè)等級：10kVA以上的高功率、10kVA~0.5kVA之間的中功率、0.5 kva ~ 25VA之間的低功率、25VA以下的微功率。不言而喻，干式電力變壓器的設計因傳輸功率的不同而不同。根據其主要功能是輸電，有人將英文名稱(chēng)“電力變壓器”翻譯成“電力干式變壓器”，許多文獻中仍在使用。是叫“電力干式變壓器”還是“電力干式變壓器”？選擇和決定是由科技術(shù)語(yǔ)決定的。同樣的英文名稱(chēng)“電力變壓器”也可以翻譯成“電力干式變壓器”。電力干式變壓器主要用于輸配電系統中的輸電、電壓轉換和絕緣。一次電壓為6kV以上的高壓，較小功率5kVA，較大功率超過(guò)數萬(wàn)kVA。雖然電力干式變壓器和電力干式變壓器的工作原理是基于電磁感應原理，但電力干式變壓器既強調大功率傳輸，又強調高絕緣電壓，這與小功率傳輸、低絕緣電壓的電力干式變壓器在磁芯線(xiàn)圈和絕緣結構設計上有顯著(zhù)區別，不能機械地將電力干式變壓器的優(yōu)化設計閾值應用于電力干式變壓器。不言而喻，電力干式變壓器和電力干式變壓器的設計方法是不同的。高頻電源干式變壓器是工作頻率超過(guò)中頻(10kHz)的電源干式變壓器。主要用作高頻開(kāi)關(guān)電源中的高頻開(kāi)關(guān)電源干式變壓器，也用作高頻逆變電源和高頻逆變焊機中的高頻逆變電源干式變壓器。按工作頻率可分為10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz及1MHz以上幾個(gè)等級。發(fā)射功率比較大，工作頻率比較低；發(fā)射功率比較小，工作頻率比較高。這樣，工作頻率和傳輸功率就存在差異，不同工作頻率的干式電力變壓器設計方法也就不言而喻了。如上所述，作者對高頻電源用干式變壓器的設計原則、要求和程序沒(méi)有錯誤的概念。而是在2003年7月初，看了2003年6號《電源技術(shù)應用》特別推薦的兩篇關(guān)于高頻磁性元件設計的文章，有所懷疑，覺(jué)得有些問(wèn)題值得進(jìn)一步探討，于是開(kāi)始寫(xiě)這篇文章。正如主編《電源技術(shù)應用》的留言所說(shuō)：“具體情況具體分析”，寫(xiě)作的目的是試圖闡明高頻電源用干式變壓器的設計，這是較難詳細講解和選擇的磁性元件之一。如有不妥，請幾位作者和讀者指正。2高頻電力干式變壓器的設計原則高頻電力干式變壓器作為一種產(chǎn)品，自然具有商品屬性，所以高頻電力干式變壓器的設計原則和其他商品一樣，是在特定的使用門(mén)檻下，追求在完成特定功能時(shí)的較佳性?xún)r(jià)比。有時(shí)可能側重于性能和效率，有時(shí)可能側重于價(jià)格和成本?，F在，輕、薄、短、小已經(jīng)成為高頻電源的發(fā)展方向，重點(diǎn)是降低成本。其中高頻電源的干式變壓器已經(jīng)成為一大難點(diǎn)，需要在這方面下功夫。所以在高頻功率干式變壓器的“設計要領(lǐng)”一文中，只講性能，不講成本，是一個(gè)很大的弊端。如果能認真考慮高頻功率干式變壓器的設計原則，追求更好的 #p#分頁(yè)標題#e#

不計成本，市值法則無(wú)情！很多性能好的產(chǎn)品往往因為價(jià)格無(wú)法被市場(chǎng)接受而被冷落淘汰。往往一個(gè)新產(chǎn)品較后被成本否決。為什么有些“節能不省錢(qián)”的產(chǎn)品不能在市場(chǎng)上推廣，值得深思。產(chǎn)品成本不僅包括材料成本和生產(chǎn)成本，還包括研發(fā)成本和設計成本。因此，為了節省時(shí)間，根據以往的經(jīng)驗，對鐵損銅損比、漏電感和勵磁電感比、一次繞組損耗比和二次繞組損耗比、電流密度提供了一些參考數據，對窗口填充度、繞組線(xiàn)和結構推薦了一些方案。怎么了？為什么要一步一步的來(lái)回計算模擬，這不是概念上的錯誤？作者于20世紀80年代開(kāi)發(fā)了高頻磁放大器開(kāi)關(guān)電源，并以較低溫升為閾值優(yōu)化了高頻電源的干式變壓器。由于熱阻難以確定，結果與試制樣品相差甚遠，不得不再次修改。為了縮短用戶(hù)設計高頻電源用干式變壓器的時(shí)間，現在有的公司的磁芯產(chǎn)品規格列出了簡(jiǎn)化的設計公式，有的公司用表格列出了某一工作頻率下磁芯的傳輸功率。這種為了用戶(hù)，推廣公司產(chǎn)品的雙贏(yíng)行為，完全符合市場(chǎng)規律，絕不是一個(gè)需要辨析的錯誤概念。問(wèn)題是提供的參考數據。推薦的方案是經(jīng)驗總結嗎？是否具有普遍性？包括“歧視”，都需要實(shí)踐檢驗才能成立?？傊?，必須記住，高頻功率干式變壓器是一種產(chǎn)品(即商品)，設計原則是在特定使用閾值下執行特定功能時(shí)達到較佳性?xún)r(jià)比。測試設計的唯一標準是設計出來(lái)的產(chǎn)品是否經(jīng)得起市場(chǎng)的檢驗。3高頻功率干式變壓器的設計要求根據設計原則，可以對高頻功率干式變壓器提出四個(gè)設計要求：使用閾值、完成功能、提高效率、降低成本。3.1使用閾值使用閾值包括可靠性和電磁兼容性?xún)蓚€(gè)方面。以前只注重可靠性，現在因為環(huán)保意識增強，必須注重電磁兼容?？煽啃允侵父哳l供電的干式變壓器能夠正常工作，直到其使用壽命低于特定的使用閾值。一般情況下，環(huán)境溫度對高頻電源干式變壓器的影響較大。有些軟磁材料居里點(diǎn)低，對溫度敏感。例如：錳鋅軟磁

氧體，居里點(diǎn)只有215℃，其磁通密度，磁導率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，故除正常溫度25℃外，還要給出60℃，80℃，100℃時(shí)的各種參考數據。因此，將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下，也就是環(huán)境溫度為40℃時(shí)，溫升只允許低于60℃，相當于A(yíng)級絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線(xiàn)和絕緣件，一般都采用E級和B級絕緣材料，采用H級絕緣的三重絕緣電磁線(xiàn)和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因為H級絕緣的高頻電源干式變壓器優(yōu)化的設計方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?如果是，請舉具體實(shí)例數據。作者曾開(kāi)發(fā)H級絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器，與B級絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器相比，體積減小15％到20％，已經(jīng)相當可觀(guān)了。本來(lái)體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源干式變壓器，如次級繞組采用三重絕緣線(xiàn)，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗。請有關(guān)作者詳細介紹優(yōu)化設計方案，以便廣大讀者學(xué)習。電磁兼容性是指高頻電源干式變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾，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。高頻電源干式變壓器產(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λS為21×10－6，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導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。高頻電源干式變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線(xiàn)之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源干式變壓器的工作頻率一致。因此，工作頻率為100kHz左右的高頻電源干式變壓器，沒(méi)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(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz～20kHz，一定有其原因。由于沒(méi)有畫(huà)出噪聲頻譜圖，具體原因說(shuō)不清楚，但是由高頻電源干式變壓器本身產(chǎn)生的可能性不大，沒(méi)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，請給出實(shí)例與數據以及對噪聲原因的詳細說(shuō)明，才會(huì )令人可信。屏蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源干式變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源干式變壓器的電磁干擾傳播，在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當采取相應的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是較佳方案，因為它只能阻止輻射干擾，不能阻止傳導干擾。3.2 完成功能高頻電源干式變壓器完成功能有3個(gè)：功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。較好種是干式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，使副繞組感應電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過(guò)程中，磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從較大值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ΔB=Bm－Br。為了提高ΔB，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ΔB=2Bm，為了提高ΔB，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，干式變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導率有關(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Υ嫫饋?lái)，然后通過(guò)去磁使副繞組感應電壓，變成電能釋放給負載。傳送功率決定于電感磁芯儲能，而儲能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導率有關(guān)，磁導率高，電感量大，儲能多，而不直接與磁通密度有關(guān)。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數不一樣，但是在高頻電源干式變壓器設計中，磁芯的材料和參數的選擇仍然是設計的一個(gè)主要內容。在電源干式變壓器“設計要點(diǎn)”一文中，很遺憾缺少這一個(gè)主要內容。只是在“交流損耗”一條中，提出BAC典型值為0.04～0.075T。顯然，文中的高頻電源干式變壓器是采用電感功率傳送方式，為什么不提磁導率，而提BAC弄不清楚。經(jīng)查閱，在《電源技術(shù)應用》2003年1/2期，同一主要作者寫(xiě)的開(kāi)關(guān)電源“設計要點(diǎn)”一文中，列出了“磁芯的選擇”，也沒(méi)有提磁導率，只是提出較大磁通密度Bm為0.275T。由于沒(méi)有畫(huà)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，選的是哪一種軟磁鐵氧體材料？為什么選這種型號？?jì)晌闹卸紱](méi)有一點(diǎn)說(shuō)明，只好讓讀者自己去猜想了。電壓變換通過(guò)原邊和副邊繞組匝數比來(lái)完成。不管功率傳送是哪一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數比，只要不改變匝數比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數與高頻電源干式變壓器的漏感有關(guān)。漏感大小與原繞組匝數的平方成正比。有趣的是，漏感能不能規定一個(gè)數值？《電源技術(shù)應用》2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著(zhù)不同的說(shuō)法?！霸O計要點(diǎn)”一文中說(shuō)：“對于一符合絕緣及安全標準的高頻干式變壓器，其漏感量應為次級開(kāi)路時(shí)初級電感量的1％～3％”?！氨嫖觥币晃闹姓f(shuō)：“在很多技術(shù)單上，標注著(zhù)漏感=1％的磁化電感或漏感 來(lái)源：佳工機電網(wǎng)#p#分頁(yè)標題#e#