高频开关电源主要磁性元件的设计

引言
    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μ值适中，但线性度好，不易饱和；共模电感则希望μ值要高，频带宽；功率变压器则希望μ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μ值(6K～10K)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l。

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)μ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l。

    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·μ值是铁氧体的10～15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ΔB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16～100kHz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：ONL—1308040，该磁芯的饱和磁感应强度Bs=1．25T，剩余磁感应强度Br<0．2T，居里温度5 lO℃，初始磁导率μi>30000，最大磁导率μm>50000，损耗P(0．5T、20kHz)<30W／kg。外形尺寸：外径l30mm，内径80mm，厚40mm，磁芯有效截面积Ac=7．5cm2.
    (1)取设定工作时，最大工作磁密Bm=0．5T，故全桥工作时ΔB=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=0．8，U2=U0／D，

   
    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2．5A／mm2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。[!--empirenews.page--]
    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=1．25T，剩余磁感应强度Br<O．2T。外形尺寸：内宽78mm，内长25mm，叠厚15mm，带宽40mm。磁芯有效截面Ac=4．2cm2。
    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=0．8T，及最大峰值电流I=60A，电感量L=0．15mH
    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，μ0、μ。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2．5A／mm2设计，绕组截面积A，=20mm2；窗口面积AW=19．5cm2。
    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=0．53T，剩余磁感应强度Br=0．5T，居里温度210℃，磁导率μ=90000。外形尺寸：外径42mm，内径29mm，厚l8mm。磁芯有效截面积Ac=0．82cm2。
    2)延迟开通时间的选择根据ZCS的要求选择0．5μs
    3)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=3
    4)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2．5A／mm2设计，绕组截面积Ar=20mm2；窗口面积AW=6．6cm2。
    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。