高频开关电源主要磁性元件的设计专业教学

高频开关电源主要磁性元件的设计引言广告插播信息维库最新热卖芯片： SI4412DY-T1 ADS7864YB/250 MJE802 XC68HC705P6ACDW T082 LTC1067CS BA6418N LE50 STR80145 LTC1421CSW-2.5 在电力直流系统中，由于普遍采用高频模块，对于高频模块的设计是功率越来越大，而体积却是越来越小，这就对其设计提出了一个关键的问题，那就是如何解决磁性元件的损耗及发热问题。高频开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入输出共模电感，功率变压器，饱和电感以及各种差模电感。各种磁性元器件对磁性材料的要求各不相同，如差模电感希望值适中，但线性度好，不易饱和；共模电感则希望值要高，频带宽；功率变压器则希望值要适中，温度稳定好，剩磁小，损耗低等。在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高值(6K10K)Mn-Zn合金，差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。这些材料应用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择。随着非晶材料的出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其它材料无法比拟的优点。几种常用磁性材料基本性能比较如表1。1 主变压器的设计对于高频开关电源的主要发热元件，主变压器的设计尤其重要，其尺寸的大小和材料的选择更是重要。1)主变压器的磁芯必须具备以下几个特点(1)低损耗；(2)高的饱和磁感应强度且温度系数小；(3)宽工作温度范围；(4)值随B值变化小；(5)与所选用功率器件开关速度相应的频响。早前高频变压器一般选用铁氧体磁芯，下面对VITROPERM500F铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的N67系列铁氧体磁芯的性能进行较，见图1。从以上图表可以看出两者有以下区别：(1)相同工作频率(200kHz以下)，非晶材料损耗明显低于铁氧体，工作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。但在250kHz以上频段，铁氧体损耗要明显低于非晶材料。(2)非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器热设计的难度。(3)非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器设计的难度，提高了电源运行的稳定性和可靠性。(4)非晶材料Bs值是铁氧体的1015倍，意味着变压器体积重量可以大幅减小。变压器设计过程中，最困难的是热设计，变压器的产热与多方面的因素有关，如磁芯损耗，铜损等。开关频率增加，变压器的发热呈指数增加。若采用铁氧体磁芯，由于铁氧体的居里点较低，需对变压器磁芯作散热处理，工艺制作比较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。若采用非晶做变压器，将工作B由4000高斯提高到100007葛斯，开关器件的工作频率则可以降到100kHz以下。非晶材料在16100kHz频率范围内，损耗Bs值最低，相应的变压器匝数及体积最小，发热量也较小，对提高整机效率，减小模块电源的体积有巨大帮助。在采用软开关控制技术的前提下，可以充分发挥IGBT的低导通压降，大电流，高耐压的优点，大幅度地提高电源的可靠性。2 磁芯的选择因为全桥变换器中的变压器工作在双端，对Br的要求不是很严格，它需要的是2Bm。但若选用高Br的磁芯，当电源功率较大时，容易产生饱和现象。为此，对于中、大功率的开关电源，主变压器选用饱和磁感应强度Bs高、剩余磁感应强度B，低的磁芯。虽然铁基非晶材料的饱和磁感应强度Bs高，但是由于铁基非晶材料的工作频率较低(15kHz)，频率高时，损耗增加。考虑到本课题中的开关频率为20kHz，故决定使用铁基超微晶中低剩磁的磁芯。选用铁基超微晶环形铁芯：ONL1308040，该磁芯的饱和磁感应强度Bs=125T，剩余磁感应强度Br30000，最大磁导率m50000，损耗P(05T、20kHz)30Wkg。外形尺寸：外径l30mm，内径80mm，厚40mm，磁芯有效截面积Ac=75cm2.(1)取设定工作时，最大工作磁密Bm=05T，故全桥工作时B=1T(2)副边匝数的计算(3)原副边匝比的选取变压器最小输入电压U1=500V，副边整流后最大输出电压U。=300V，设定最大占空比D=08，U2=U0D，得N1=13(4)窗口利用率的计算变压器输入电流I1=30A，输出电流I2=50A，均按照电流密度KJ为25Amm2设计；初级绕组截面积Ar1=12mm2，次级绕组截面积Ar2=20mm2窗口面积Aw=50cm2。窗口利用率：由于开关频率不算太高，变压器的绕制采用多股漆包线并绕，外包抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸的方式，保证绝缘等级。2 输出电感的设计1)对输出滤波电感的磁芯主要要求有以下几点：(1)温度系数小，滤波电感的电感量随时间的变化率应保持最小；(2)线性度好，在不同的工作电流下电感量的变化小；(3)滤波电感的电损耗和磁损耗低。选用铁基超微晶C D型切口铁芯：JFQ-078025015040，该磁芯的饱和磁感应强度Bs=125T，剩余磁感应强度BrO2T。外形尺寸：内宽78mm，内长25mm，叠厚15mm，带宽40mm。磁芯有效截面Ac=42cm2。2)磁芯的选择(1)匝数、气隙的计算设定工作时，最大工作磁密Bm=08T，及最大峰值电流I=60A，电感量L=015mH电感定义式上式中，Ac是铁芯的有效截面积。磁路欧姆定律上式中，l0、lc是空气隙和铁芯的长度，0、。是空气和铁芯的磁导率。由(5)式可得由(9)式可求得气隙长度(1)窗口利用率的计算滤波电感通过的最大平均电流为50A，按照电流密度KJ为25Amm2设计，绕组截面积A，=20mm2；窗口面积AW=195cm2。窗口利用率3 饱和电感的设计1)磁芯的选择选用钴基非晶环形铁芯，该磁芯的饱和磁感应强度Bs=053T，剩余磁感应强度Br=05T，居里温度210，磁导率=90000。外形尺寸：外径42mm，内径29mm，厚l8mm。磁芯有效截面积Ac=082cm2。2)延迟开通时间的选择根据ZCS的要求选择05s3)匝数的计算根据式中N为匝数，tb为延迟开通时间，Bs为磁芯的饱和磁密，Ac为磁芯的有效截面积，ULS为加在饱和电感上的电压，约等于Udc。算得N=34)窗口利用率的计算饱和电感通过的最大平均电流为50A，按照电流密度KJ为25Amm2设计，绕组截面积Ar=20mm2；窗口面积AW=66cm2。窗口利用率4 结束语通过对高频电源模块的主要磁性元件的优化设计，并应用在高频电源的生产中，很好的解决了磁性元件的损耗和发热的问题，对高频电源的稳定性有了进一步的提高8辅导工具a