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高頻變壓器設計詳細解析
來源:
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作者:pro198ad8
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發(fā)布時間: 2019-05-29
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高頻變壓器設計方法 高頻變壓器的設計包括：線圈參數(shù)的設計，磁芯材料的選擇，磁芯結構的選擇，磁芯參數(shù)的設計，組裝結構的選擇等內容。下面對高頻變壓器線圈參數(shù)的計算與選擇、磁芯材料的選擇、磁芯結構的選擇、磁芯參數(shù)的設計和組裝結構的選擇進行詳細介紹。
(1) 高頻變壓器線圈參數(shù)的計算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：
高頻變壓器設計方法 高頻變壓器的設計包括：線圈參數(shù)的設計，磁芯材料的選擇，磁芯結構的選擇，磁芯參數(shù)的設計，組裝結構的選擇等內容。下面對高頻變壓器線圈參數(shù)的計算與選擇、磁芯材料的選擇、磁結構的選擇、磁芯參數(shù)的設計和組裝結構的選擇進行詳細介紹。
1) 高頻變壓器線圈參數(shù)的計算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：匝數(shù)、導線截面(直徑)、導線形式、繞組排列和絕緣安排。
原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定，匝數(shù)不能過多也不能過少。如果匝數(shù)過多，會增加漏感和繞線工時;如果匝數(shù)過少，在外加激磁電壓比較高時，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強絕緣[5]。副繞組匝數(shù)由輸出電壓決定。導線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。還要注意的是導線截面(直徑)的大小還與漏感有關。
高頻變壓器的繞組排列形式有：
①如果原繞組電壓高，副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排;
②如果要增加原和副繞組之間耦合，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式，這樣有利于減少漏感。
另外，當原繞組為高壓繞組時，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。
對于絕緣安排，首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級低，滿足不了耐熱要求，等級過高，會增加不必要的材料成本。其次，對在圓柱形磁路上繞線的線圈，最好采用線圈骨架，既可以保證絕緣，又可以簡化繞線工藝。另外，線圈最外層和最里層，高壓和低壓繞組之間都要加強絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜，加強絕緣應墊2～3層絕緣薄膜。
(2) 高頻變壓器磁芯材料的選擇
高頻變壓器磁芯一般使用軟磁材料。軟磁材料有較高磁導率，低的矯頑力， 高的電阻率。磁導率高，在一定線圈匝數(shù)時，通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應強度，線圈就能承受較高的外加電壓，因此在輸出功率一定的情況下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯回環(huán)面積小，則鐵耗也少。電阻率高則渦流小，鐵耗也小。
鐵氧體材料是復合氧化物燒結體，和其它軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體的優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小，價格便宜，易加工成各種形狀的磁芯，缺點是工作磁通密度低、磁導率不高、磁致伸縮大、對溫度變化比較敏感。它適合高頻下使用，因此高頻變壓器一般采用鐵氧體材料作為磁芯。
(3) 高頻變壓器磁芯結構的選擇
磁芯基本結構有：
①疊片，通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E、I、F、O等形狀，疊成一個鐵芯。
②環(huán)形鐵芯，由O型薄片疊成，也可由窄長的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成。
③C形鐵芯，此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點，由二個C型鐵芯對接而成。
④罐形鐵芯，它是磁芯在外，銅線圈在里，免去環(huán)形線圈不便的一種結構形式，可以減少 EMI。缺點是內部線圈散熱不良，溫升較高。
高頻變壓器設計時選擇磁芯結構應考慮的因素：降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易， 裝配接線方便等。
在高頻變壓器磁芯結構設計中，對窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來決定。為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾，有些磁芯結構在窗口外面有封閉和半封閉外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好，但散熱和接線不方便，必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼，封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用，不封閉的地方用于接線和散熱。如果窗口完全開放，接線和散熱方便，屏蔽電磁干擾作用差。
(4) 高頻變壓器磁芯參數(shù)ΔB的選擇
高頻變壓器磁芯參數(shù)選擇時，必須注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時還與功率傳送的工作方式有關。
對于磁通單方向變化的工作模式： ，ΔB既受飽和磁通密度限制，又受損耗限制。
對于磁通雙方向變化的工作模式： ，工作磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多，損耗也大得多，ΔB主要受損耗限制，而且還要注意出現(xiàn)的直流偏磁問題。
對電感器功率傳送方式，磁導率是有氣隙后的等值磁導率，一般都比磁化曲線測出的磁導率小。
(5) 高頻變壓器組裝結構的選擇
高頻變壓器組裝結構分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結構，上下表面比較大，有利于散熱;其它的都采用立式結構。另外，組裝結構中采用的夾件和接線端子等盡量采用標準件，以便于外協(xié)加工，降低成本。
(6) 高頻變壓器工作點的確定
對于新買來的磁芯，由于廠家提供的磁感應強度值并不準確，一般先要粗略測試它，具體方法：將調壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形，將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發(fā)生奇變，此時磁芯已飽和，根據(jù)公式：U=4.44fN1Φm可推知在Φm值。
(1) 高頻變壓器線圈參數(shù)的計算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：
高頻變壓器設計方法 高頻變壓器的設計包括：線圈參數(shù)的設計，磁芯材料的選擇，磁芯結構的選擇，磁芯參數(shù)的設計，組裝結構的選擇等內容。下面對高頻變壓器線圈參數(shù)的計算與選擇、磁芯材料的選擇、磁結構的選擇、磁芯參數(shù)的設計和組裝結構的選擇進行詳細介紹。
1) 高頻變壓器線圈參數(shù)的計算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：匝數(shù)、導線截面(直徑)、導線形式、繞組排列和絕緣安排。
原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定，匝數(shù)不能過多也不能過少。如果匝數(shù)過多，會增加漏感和繞線工時;如果匝數(shù)過少，在外加激磁電壓比較高時，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強絕緣[5]。副繞組匝數(shù)由輸出電壓決定。導線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。還要注意的是導線截面(直徑)的大小還與漏感有關。
高頻變壓器的繞組排列形式有：
①如果原繞組電壓高，副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排;
②如果要增加原和副繞組之間耦合，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式，這樣有利于減少漏感。
另外，當原繞組為高壓繞組時，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。
對于絕緣安排，首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級低，滿足不了耐熱要求，等級過高，會增加不必要的材料成本。其次，對在圓柱形磁路上繞線的線圈，最好采用線圈骨架，既可以保證絕緣，又可以簡化繞線工藝。另外，線圈最外層和最里層，高壓和低壓繞組之間都要加強絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜，加強絕緣應墊2～3層絕緣薄膜。
(2) 高頻變壓器磁芯材料的選擇
高頻變壓器磁芯一般使用軟磁材料。軟磁材料有較高磁導率，低的矯頑力， 高的電阻率。磁導率高，在一定線圈匝數(shù)時，通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應強度，線圈就能承受較高的外加電壓，因此在輸出功率一定的情況下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯回環(huán)面積小，則鐵耗也少。電阻率高則渦流小，鐵耗也小。
鐵氧體材料是復合氧化物燒結體，和其它軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體的優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小，價格便宜，易加工成各種形狀的磁芯，缺點是工作磁通密度低、磁導率不高、磁致伸縮大、對溫度變化比較敏感。它適合高頻下使用，因此高頻變壓器一般采用鐵氧體材料作為磁芯。
(3) 高頻變壓器磁芯結構的選擇
磁芯基本結構有：
①疊片，通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E、I、F、O等形狀，疊成一個鐵芯。
②環(huán)形鐵芯，由O型薄片疊成，也可由窄長的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成。
③C形鐵芯，此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點，由二個C型鐵芯對接而成。
④罐形鐵芯，它是磁芯在外，銅線圈在里，免去環(huán)形線圈不便的一種結構形式，可以減少 EMI。缺點是內部線圈散熱不良，溫升較高。
高頻變壓器設計時選擇磁芯結構應考慮的因素：降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易， 裝配接線方便等。
在高頻變壓器磁芯結構設計中，對窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來決定。為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾，有些磁芯結構在窗口外面有封閉和半封閉外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好，但散熱和接線不方便，必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼，封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用，不封閉的地方用于接線和散熱。如果窗口完全開放，接線和散熱方便，屏蔽電磁干擾作用差。
(4) 高頻變壓器磁芯參數(shù)ΔB的選擇
高頻變壓器磁芯參數(shù)選擇時，必須注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時還與功率傳送的工作方式有關。
對于磁通單方向變化的工作模式： ，ΔB既受飽和磁通密度限制，又受損耗限制。
對于磁通雙方向變化的工作模式： ，工作磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多，損耗也大得多，ΔB主要受損耗限制，而且還要注意出現(xiàn)的直流偏磁問題。
對電感器功率傳送方式，磁導率是有氣隙后的等值磁導率，一般都比磁化曲線測出的磁導率小。
(5) 高頻變壓器組裝結構的選擇
高頻變壓器組裝結構分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結構，上下表面比較大，有利于散熱;其它的都采用立式結構。另外，組裝結構中采用的夾件和接線端子等盡量采用標準件，以便于外協(xié)加工，降低成本。
(6) 高頻變壓器工作點的確定
對于新買來的磁芯，由于廠家提供的磁感應強度值并不準確，一般先要粗略測試它，具體方法：將調壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形，將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發(fā)生奇變，此時磁芯已飽和，根據(jù)公式：U=4.44fN1Φm可推知在Φm值。
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