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　　1、概述

　　圖1是傳統(tǒng)的逆變器框圖。其缺點(diǎn)是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感，導(dǎo)致效率低，噪音大，可靠性差。另外，諧波含量大，波形畸變嚴(yán)重，與要求的優(yōu)質(zhì)正弦波相差甚遠(yuǎn)。　　

　　圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當(dāng)今研究的最先進(jìn)方案，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優(yōu)點(diǎn)，諸如，以小型的高頻變壓器替代工頻變壓器;只有兩級(jí)功率變換;正弦波質(zhì)量高;控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件，肩負(fù)著隔離和傳輸功率的重任，其性能好壞直接決定逆變器的性能好壞。不合格的變壓器溫升高，效率低，漏感嚴(yán)重，輸出波形畸變大，直接影響電路的穩(wěn)定性和可靠性，甚至損壞開(kāi)關(guān)器件，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。　　

　　2、高頻變壓器的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)高頻變壓器首先應(yīng)該從磁芯開(kāi)始。開(kāi)關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場(chǎng)下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。各種磁芯物理性能及價(jià)格比如表1所列。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比較小，常使用在開(kāi)關(guān)電源中。本文采用的就是鐵氧體材料。

　　表1 各種磁芯特性比較表　　

　　高頻變壓器的設(shè)計(jì)通常采用兩種方法：第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP(AP=AW×Ae，稱(chēng)磁芯面積乘積)，根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號(hào);第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。博眾達(dá)小編跟大家詳細(xì)討論如何用AP法設(shè)計(jì)高頻變壓器。

　　原邊NP匝，副邊Ns匝的變壓器，在NP匝上以電壓V1開(kāi)關(guān)工作時(shí)，根據(jù)法拉第定律，有

　　V1=KffsNPBWAe(1)

　　式中：Kf為波形系數(shù)，即有效值和平均值之比，正弦波為4.44，方波為4;

　　fs為工作頻率;

　　BW為工作磁通密度。

　　NP=　　

　　(2)

　　鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數(shù)Ko(一般取0.4)為有效面積，該面積為原邊繞組NP占據(jù)的窗口面積NPAP′與副邊繞組Ns占據(jù)的窗口面積NsAs′之和，即

　　KoAW=NPAP′+NsAs′(3)

　　式中：AP′及As′分別為原、副邊繞組每匝的截面積。

　　每匝所占用面積與流過(guò)該匝的電流值I和電流密度J有關(guān)，如式(4)所示。

　　AP′=　　

　　As′=　　

　　(4)

　　將式(4)代入式(3)，則得

　　KoAW=

　　+

　　即 AWAe=　　

　　(5)

　　電流密度J直接影響到溫升，亦影響到AWAe，其關(guān)系可用式(6)表示。

　　J=KJ(AWAe)X(6)

　　式中：KJ為電流密度系數(shù);X為常數(shù)，由所用磁芯確定。

　　若變壓器的視在功率PT=V1I1+V2I2，則

　　AWAe=　　

　　即 AP=　　

　　(7)

　　式中：AP單位為cm4，其余的單位為國(guó)際單位制。

　　視在功率隨線路結(jié)構(gòu)不同而不同。如圖3所示。變壓器效率為η，則在圖3(a)中

　　PT=Po+Pi=Po+　　

　　=Po

　　在圖3(b)中

　　PT=Po　　

　　在圖3(c)中

　　PT=Po　　

　　采用圖3(b)的結(jié)構(gòu)，VDC=24V，Po=250W，設(shè)η=0.95，則

　　PT=Po　　

　　≈617W　　

　　若采用E型磁芯，允許溫升25℃，則有KJ=323，X=-0.14。飽和磁密約為0.35T，考慮到高溫時(shí)飽和磁密會(huì)下降，同時(shí)，為了防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，取飽和磁密的1/3為變壓器的工作磁密，即BW=0.117T。工作頻率為20kHz，由式(7)可得

　　AP=　　

　　≈6.65(cm4)

　　取10%的裕度，即AP=6.65×(1+10%)≈7.28cm4，查手冊(cè)選取E17鐵氧體磁芯，其AW=2.56cm2，Ae=3.80cm2，AP=9.73cm4，滿(mǎn)足要求。

　　確定磁芯材料后，則其他參數(shù)計(jì)算如下：

　　1)原邊繞組匝數(shù)NP

　　NP=　　

　　≈7匝;

　　2)原邊電流IP

　　IP=　　

　　≈10.96A;

　　3)電流密度J

　　J=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2;

　　4)原邊繞組裸線面積AXP

　　AXP=　

　　≈0.04666cm2;

　　5)副邊繞組匝數(shù)Ns 逆變器工作時(shí)占空比D=0.75，幅值為　　

　　220V，則

　　Ns=　　

　　=120.99≈121匝

　　6)副邊繞組裸線面積AXS 注意中間抽頭變壓器Io須乘0.707的校正系數(shù)，則

　　AXS

　　=0.00342cm2。

　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)采用圖3(b)的結(jié)構(gòu)，參數(shù)如下：

　　輸入電壓 DC24V;

　　開(kāi)關(guān)頻率 20kHz;

　　占空比 D=0.75;

　　輸出電壓 AC220V;

　　輸出功率 250W;

　　輸出頻率 50Hz;

　　變壓器磁芯 E17鐵氧體磁芯;

　　原邊繞組匝數(shù) 7匝;

　　副邊繞組匝數(shù) 121匝。

　　該高頻鏈工作穩(wěn)定可靠，噪聲很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該高頻變壓器滿(mǎn)足實(shí)際要求。

　　1)設(shè)計(jì)中，在最大輸出功率時(shí)，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生失真。

　　2)在瞬變過(guò)程中，高頻鏈漏感和分布電容會(huì)引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩，使損耗增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成開(kāi)關(guān)管損壞。同時(shí)，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時(shí)，應(yīng)考慮分布電容的影響，降低分布電容有利于抑制高頻信號(hào)對(duì)負(fù)載的干擾。對(duì)同一變壓器同時(shí)減少分布電容和漏感是困難的，應(yīng)根據(jù)不同的工作要求，保證合適的電容和電感。

　　3)本文采用的工作頻率為20kHz，由于工作頻率較高，趨膚效應(yīng)影響比較大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意趨膚效應(yīng)引起的有效面積的減少。