高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

蘇治平 柳超

摘 要：隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，技術(shù)手段也在不斷完善，公眾對(duì)電力的需求也在日益增加?；诖?，關(guān)注電源技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，電源技術(shù)的發(fā)展前景越來(lái)越廣闊，其主要發(fā)展方向是逐步發(fā)展高能量密度的電源技術(shù)。本文主要介紹高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高頻開(kāi)關(guān)電源;變壓器;設(shè)計(jì)

引言：變壓器是電源產(chǎn)品的重要核心單元，變壓器的性能在很大程度上會(huì)影響電力產(chǎn)品的性能。開(kāi)關(guān)電源一直是未來(lái)能源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的工頻變壓器體積大、效率低、成本高。正是由于上述缺點(diǎn)，它在設(shè)計(jì)和市場(chǎng)上逐漸失去了優(yōu)勢(shì)，而開(kāi)關(guān)電源技術(shù)能夠有效地改善上述問(wèn)題，發(fā)揮工作效率高、體積小、成本低的顯著優(yōu)勢(shì)，并逐漸被廣泛應(yīng)用于多種產(chǎn)品中。

一、高頻變壓器

所謂高頻變壓器是指工作頻率高于中頻的電力變壓器，也是開(kāi)關(guān)電源的重要組成部分，其輸出電壓主要由各繞組線圈的匝數(shù)比決定，而輸出功率與工作效率有著顯著的關(guān)系。開(kāi)關(guān)電源主要采用半橋功率轉(zhuǎn)換電路，這也是實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換的有效措施。兩橋臂中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件主要通過(guò)高頻模式依次連接，然后逐漸形成高頻脈沖波，然后通過(guò)高頻變壓器完成低壓交流輸出。影響其性能的主要因素是變壓器的漏感和分布電容。

二、高頻開(kāi)關(guān)的理論分析

1高頻開(kāi)關(guān)電源分析

該電源是指一種主要用于轉(zhuǎn)換高頻能的開(kāi)關(guān)設(shè)備，能夠執(zhí)行多種功能，合理轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)電壓，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流。這種電源開(kāi)關(guān)的使用原理通常通過(guò)處于高頻模式的電子元件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)這種電子元件可以合理地調(diào)節(jié)電力。雖然高頻電源開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)有一定的不同，但基本原理相同，一般主要由電路、檢測(cè)儀器和電路組成，存在一定的相同性。

2串聯(lián)諧振電路

對(duì)于高頻電斷路器的分析，其開(kāi)關(guān)是柔性剛性開(kāi)關(guān)的一部分。硬開(kāi)關(guān)的使用通常是通過(guò)PVM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在PVM中，由于斷路太頻繁而導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)過(guò)大，其值通常在一定程度上與斷路頻率成正比，并且在這一過(guò)程中電感和寄生電容的分布，可能導(dǎo)致?lián)p耗增加，對(duì)提高斷路器頻率有非常不利的影響，簡(jiǎn)而言之，有很多負(fù)面影響，軟開(kāi)關(guān)的使用方式是用諧振器切斷電源，不能承受相應(yīng)的電壓，因此在損耗的大小上有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

3高頻電壓器分析

所謂高頻電壓器，是指變壓器的工作方式始終高于中頻，是開(kāi)關(guān)電源中的一個(gè)重要組成部分，因此，輸出電壓的決定因素是每個(gè)繞組的繞組匝數(shù)。在此基礎(chǔ)上，高頻電壓輸出功率與工作效率的關(guān)系非常密切.在操作過(guò)程中，電源開(kāi)關(guān)一般在半模功率轉(zhuǎn)換模式下工作，通過(guò)這種方式逐步實(shí)現(xiàn)兩臂開(kāi)關(guān)電橋之間的有效電能轉(zhuǎn)換，保證高頻模式下的流量，然后形成一些重復(fù)，為了降低高頻變壓器的電壓，進(jìn)而給出一定的低壓電流輸出.同時(shí)，變壓器電感和配電電容對(duì)性能的運(yùn)行也起著重要作用。

三、高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1整體設(shè)計(jì)

對(duì)于常用的可調(diào)開(kāi)關(guān)電源，需要將電壓控制在相對(duì)合適的范圍內(nèi)，電流控制在最大設(shè)計(jì)值內(nèi)。高壓可調(diào)高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起到了補(bǔ)壓網(wǎng)絡(luò)和電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的作用，客觀合理地確定了輸出電壓和最大工作電流。一旦工作電流超過(guò)最大設(shè)定電流，電壓將不會(huì)持續(xù)增加，從而對(duì)電源起到一定的保護(hù)作用。DC/DC變換器采用半橋拓?fù)洌瑢⒄撞蓸与娮栌糜诓杉敵鲭妷汉洼敵鲭娏鞯碾姼?，電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，合理地與運(yùn)算放大器形成有源校正網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充兩個(gè)輸出控制量，并在使用最小功能選擇后將其發(fā)射到DC/DC轉(zhuǎn)換器，這也是一種設(shè)計(jì)電源的方案，可以控制輸出電壓并限制最大工作電流。

2主電路設(shè)計(jì)

半橋拓?fù)渚w管在關(guān)斷時(shí)所支持的電壓為VDC，在輸入網(wǎng)絡(luò)電壓為220V的市場(chǎng)上得到了廣泛應(yīng)用。它也是一種相對(duì)成熟的隔離拓?fù)洹Ｔ谶M(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，難點(diǎn)是高頻變壓器的設(shè)計(jì)。在升壓變壓器的應(yīng)用中，由于匝數(shù)比的原因，二次側(cè)的匝數(shù)通常明顯高于一次側(cè)，因此變壓器的體積將非常大，這也非常不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。采用改進(jìn)的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器的輔助匝數(shù)比傳統(tǒng)的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了50%左右，有利于減小功率體積和控制成本。

3參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

①溫升

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，鐵芯和繞組中的損耗會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這會(huì)嚴(yán)重提高變壓器的溫度，而這種熱量會(huì)通過(guò)輻射和對(duì)流在周?chē)h(huán)境中不斷增加，因此，必須注意合理控制溫升，這對(duì)防止繞組燒損，降低磁芯性能下降和變壓器熱擊穿的可能性非常有益。在計(jì)算變壓器的溫升時(shí)，通常將磁芯損耗和繞組結(jié)合在一起，熱通過(guò)磁芯和繞組后，所有表面積逐漸均勻消散。

②分布參數(shù)

漏感和分布電容一直是高頻電壓電容器的重要分布參數(shù)。在高頻下，分布參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的性能有較大的影響，在開(kāi)關(guān)變換器中，漏感會(huì)導(dǎo)致電壓峰值，進(jìn)而對(duì)某些電路元件造成相對(duì)不必要的損壞。此外，分布電容會(huì)導(dǎo)致電流尖峰，在一定程度上延長(zhǎng)充電時(shí)間，甚至對(duì)開(kāi)關(guān)和二極管造成深度損耗，嚴(yán)重降低變壓器的效率和可靠性?；诖?，在這種工作狀態(tài)模式下，有必要最小化變壓器的實(shí)際分布參數(shù)。這種諧振變換器有利于吸收和利用變壓器的分布參數(shù)，也可以作為諧振參數(shù)或諧振參數(shù)的一部分。因此，在這種模式下，有必要對(duì)分布式設(shè)計(jì)容量和漏感進(jìn)行準(zhǔn)確的研究和設(shè)計(jì)。

③鐵芯損耗設(shè)計(jì)

高頻變壓器中使用的磁性材料需要確保其具有低損耗、強(qiáng)穩(wěn)定性和優(yōu)良的溫度特性。工業(yè)上常用的磁芯材料主要有軟磁鐵氧體、非晶合金和坡莫合金，其中錳鋅鐵氧體應(yīng)用廣泛。該材料具有較高的磁導(dǎo)率、穩(wěn)定的居里溫度和溫度特性等顯著的負(fù)溫度特性，對(duì)解決高頻變壓器的容量、損耗、體積和散熱問(wèn)題具有重要意義?？紤]到與鐵心損耗有關(guān)的問(wèn)題，由于硅鋼和鐵氧體等傳統(tǒng)損耗模型已無(wú)法滿(mǎn)足高頻領(lǐng)域的相關(guān)性能要求，可以考慮使用新型低矩形比鐵基納米晶合金，在串聯(lián)諧振電路單元中將一個(gè)完整的充電循環(huán)切割成開(kāi)關(guān)子循環(huán)，然后計(jì)算每個(gè)子循環(huán)中相應(yīng)的磁通密度增強(qiáng)功率損耗，然后，充電過(guò)程中磁芯的平均鐵損通過(guò)總和計(jì)算。

4變壓器的漏電感

銅絞線用于提高銅的占用率;采用寬薄銅箔，銅占用率最高;繞組設(shè)計(jì)為薄的，以減少漏感;二次繞組繞在一次繞組的中間，或二次勵(lì)磁繞組繞在一次繞組的外側(cè)，兩組緊密結(jié)合。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，PCB板或整機(jī)的空間受到一定的限制，包括體積、工作頻率等。，這使得變壓器必須根據(jù)PCB板或整機(jī)的空間完成相關(guān)設(shè)計(jì)。根據(jù)體積、功率、頻率等相關(guān)參數(shù)，確定變壓器的實(shí)際型號(hào)和尺寸。根據(jù)變壓器的實(shí)際輸出和輸入條件，得到變壓器的初步原理圖，然后通過(guò)生產(chǎn)實(shí)際樣品來(lái)驗(yàn)證初步原理圖是否滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。此時(shí)的試驗(yàn)特別指變壓器的靜態(tài)試驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)：總的來(lái)說(shuō)，科技水平不斷提高，社會(huì)多個(gè)行業(yè)對(duì)電源的需求不斷增加。因此，改進(jìn)電源技術(shù)具有重要意義，這也是提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的有效措施。因此，需要注意高頻電壓開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行研究分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮立超. 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技，2018，15（02）：78-79.

[2]胡科堂. 高電壓大功率開(kāi)關(guān)電源拓?fù)潆娐返脑O(shè)計(jì)與研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]萬(wàn)志群. 基于半橋軟開(kāi)關(guān)AC/DC充電電源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].廈門(mén)理工學(xué)院，2016.

[4]姜學(xué)東. 交直流疊加高頻高壓開(kāi)關(guān)電源及其放電等離子體在多種污染物治理中的應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué)，2017.

[5]常樂(lè). 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2017（01）：235.