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高頻變壓器設(shè)計(jì)詳細(xì)解析
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作者:pro198ad8
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發(fā)布時(shí)間: 2019-05-29
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高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 高頻變壓器的設(shè)計(jì)包括：線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)，磁芯材料的選擇，磁芯結(jié)構(gòu)的選擇，磁芯參數(shù)的設(shè)計(jì)，組裝結(jié)構(gòu)的選擇等內(nèi)容。下面對(duì)高頻變壓器線圈參數(shù)的計(jì)算與選擇、磁芯材料的選擇、磁芯結(jié)構(gòu)的選擇、磁芯參數(shù)的設(shè)計(jì)和組裝結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行詳細(xì)介紹。
(1) 高頻變壓器線圈參數(shù)的計(jì)算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：
高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 高頻變壓器的設(shè)計(jì)包括：線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)，磁芯材料的選擇，磁芯結(jié)構(gòu)的選擇，磁芯參數(shù)的設(shè)計(jì)，組裝結(jié)構(gòu)的選擇等內(nèi)容。下面對(duì)高頻變壓器線圈參數(shù)的計(jì)算與選擇、磁芯材料的選擇、磁結(jié)構(gòu)的選擇、磁芯參數(shù)的設(shè)計(jì)和組裝結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行詳細(xì)介紹。
1) 高頻變壓器線圈參數(shù)的計(jì)算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：匝數(shù)、導(dǎo)線截面(直徑)、導(dǎo)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(chǔ)存能量)來(lái)決定，匝數(shù)不能過(guò)多也不能過(guò)少。如果匝數(shù)過(guò)多，會(huì)增加漏感和繞線工時(shí);如果匝數(shù)過(guò)少，在外加激磁電壓比較高時(shí)，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強(qiáng)絕緣[5]。副繞組匝數(shù)由輸出電壓決定。導(dǎo)線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。還要注意的是導(dǎo)線截面(直徑)的大小還與漏感有關(guān)。
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(duì)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(dāng)原繞組為高壓繞組時(shí)，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會(huì)引起局部短路。
對(duì)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(jí)要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級(jí)低，滿足不了耐熱要求，等級(jí)過(guò)高，會(huì)增加不必要的材料成本。其次，對(duì)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(jiǎn)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(qiáng)絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜，加強(qiáng)絕緣應(yīng)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(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有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)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(fù)合氧化物燒結(jié)體，和其它軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)格便宜，易加工成各種形狀的磁芯，缺點(diǎn)是工作磁通密度低、磁導(dǎo)率不高、磁致伸縮大、對(duì)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(jié)構(gòu)的選擇
磁芯基本結(jié)構(gòu)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(gè)鐵芯。
②環(huán)形鐵芯，由O型薄片疊成，也可由窄長(zhǎng)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(diǎn)，由二個(gè)C型鐵芯對(duì)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(jié)構(gòu)形式，可以減少 EMI。缺點(diǎn)是內(nèi)部線圈散熱不良，溫升較高。
高頻變壓器設(shè)計(jì)時(shí)選擇磁芯結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來(lái)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(jié)構(gòu)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(kāi)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(shí)，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(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān)。
對(duì)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(duì)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(wèn)題。
對(duì)電感器功率傳送方式，磁導(dǎo)率是有氣隙后的等值磁導(dǎo)率，一般都比磁化曲線測(cè)出的磁導(dǎo)率小。
(5) 高頻變壓器組裝結(jié)構(gòu)的選擇
高頻變壓器組裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，上下表面比較大，有利于散熱;其它的都采用立式結(jié)構(gòu)。另外，組裝結(jié)構(gòu)中采用的夾件和接線端子等盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以便于外協(xié)加工，降低成本。
(6) 高頻變壓器工作點(diǎn)的確定
對(duì)于新買(mǎi)來(lái)的磁芯，由于廠家提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并不準(zhǔn)確，一般先要粗略測(cè)試它，具體方法：將調(diào)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(shí)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(jì)算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：
高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 高頻變壓器的設(shè)計(jì)包括：線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)，磁芯材料的選擇，磁芯結(jié)構(gòu)的選擇，磁芯參數(shù)的設(shè)計(jì)，組裝結(jié)構(gòu)的選擇等內(nèi)容。下面對(duì)高頻變壓器線圈參數(shù)的計(jì)算與選擇、磁芯材料的選擇、磁結(jié)構(gòu)的選擇、磁芯參數(shù)的設(shè)計(jì)和組裝結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行詳細(xì)介紹。
1) 高頻變壓器線圈參數(shù)的計(jì)算與選擇
高頻變壓器的線圈參數(shù)包括：匝數(shù)、導(dǎo)線截面(直徑)、導(dǎo)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(chǔ)存能量)來(lái)決定，匝數(shù)不能過(guò)多也不能過(guò)少。如果匝數(shù)過(guò)多，會(huì)增加漏感和繞線工時(shí);如果匝數(shù)過(guò)少，在外加激磁電壓比較高時(shí)，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強(qiáng)絕緣[5]。副繞組匝數(shù)由輸出電壓決定。導(dǎo)線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。還要注意的是導(dǎo)線截面(直徑)的大小還與漏感有關(guān)。
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(duì)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(dāng)原繞組為高壓繞組時(shí)，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會(huì)引起局部短路。
對(duì)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(jí)要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級(jí)低，滿足不了耐熱要求，等級(jí)過(guò)高，會(huì)增加不必要的材料成本。其次，對(duì)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(jiǎn)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(qiáng)絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜，加強(qiáng)絕緣應(yīng)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(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有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)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(fù)合氧化物燒結(jié)體，和其它軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)格便宜，易加工成各種形狀的磁芯，缺點(diǎn)是工作磁通密度低、磁導(dǎo)率不高、磁致伸縮大、對(duì)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(jié)構(gòu)的選擇
磁芯基本結(jié)構(gòu)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(gè)鐵芯。
②環(huán)形鐵芯，由O型薄片疊成，也可由窄長(zhǎng)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(diǎn)，由二個(gè)C型鐵芯對(duì)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(jié)構(gòu)形式，可以減少 EMI。缺點(diǎn)是內(nèi)部線圈散熱不良，溫升較高。
高頻變壓器設(shè)計(jì)時(shí)選擇磁芯結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來(lái)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(jié)構(gòu)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(kāi)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(shí)，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(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān)。
對(duì)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(duì)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(wèn)題。
對(duì)電感器功率傳送方式，磁導(dǎo)率是有氣隙后的等值磁導(dǎo)率，一般都比磁化曲線測(cè)出的磁導(dǎo)率小。
(5) 高頻變壓器組裝結(jié)構(gòu)的選擇
高頻變壓器組裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，上下表面比較大，有利于散熱;其它的都采用立式結(jié)構(gòu)。另外，組裝結(jié)構(gòu)中采用的夾件和接線端子等盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以便于外協(xié)加工，降低成本。
(6) 高頻變壓器工作點(diǎn)的確定
對(duì)于新買(mǎi)來(lái)的磁芯，由于廠家提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并不準(zhǔn)確，一般先要粗略測(cè)試它，具體方法：將調(diào)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(shí)磁芯已飽和，根據(jù)公式：U=4.44fN1Φm可推知在Φm值。
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