高頻開關(guān)電源主要磁性元件的設(shè)計(jì)

　　引言

　　高頻開關(guān)電源中大量使用各種各樣的磁性元件，如輸入/輸出共模電感，功率變壓器，飽和電感以及各種差模電感。各種磁性元器件對磁性材料的要求各不相同，如差模電感希望μ值適中，但線性度好，不易飽和;共模電感則希望μ值要高，頻帶寬;功率變壓器則希望μ值要適中，溫度穩(wěn)定好，剩磁小，損耗低等。在非晶材料出現(xiàn)以前，共模電感主要采用高μ值(6K～10K)Mn-Zn合金，差模電感多采用鐵粉芯或開氣隙鐵氧體材料，變壓器則采用鐵氧體材料等。這些材料應(yīng)用技術(shù)成熟，種類也很豐富，并有各種各樣的產(chǎn)品形狀供選擇。隨著非晶材料的出現(xiàn)和技術(shù)不斷成熟，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，非晶材料表現(xiàn)出許多其它材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。幾種常用磁性材料基本性能比較如表l。

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　　1 主變壓器的設(shè)計(jì)

　　對于高頻開關(guān)電源的主要發(fā)熱元件，主變壓器的設(shè)計(jì)尤其重要，其尺寸的大小和材料的選擇更是重要。

　　1)主變壓器的磁芯必須具備以下幾個特點(diǎn)

　　(1)低損耗;

　　(2)高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度且溫度系數(shù)小;

　　(3)寬工作溫度范圍;

　　(4)μ值隨B值變化小;

　　(5)與所選用功率器件開關(guān)速度相應(yīng)的頻響。

　　早前高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯，下面對VITROPERM500F鐵基超微晶磁芯與德國西門子公司生產(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能進(jìn)行較，見圖l。

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　　從以上圖表可以看出兩者有以下區(qū)別：

　　(1)相同工作頻率(200kHz以下)，非晶材料損耗明顯低于鐵氧體，工作頻率越低，工作B值越高，非晶材料優(yōu)勢越明顯。但在250kHz以上頻段，鐵氧體損耗要明顯低于非晶材料。

　　(2)非晶材料損耗隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器熱設(shè)計(jì)的難度。

　　(3)非晶材料導(dǎo)磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器設(shè)計(jì)的難度，提高了電源運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

　　(4)非晶材料Bs·μ值是鐵氧體的10～15倍，意味著變壓器體積重量可以大幅減小。

　　變壓器設(shè)計(jì)過程中，最困難的是熱設(shè)計(jì)，變壓器的產(chǎn)熱與多方面的因素有關(guān)，如磁芯損耗，銅損等。開關(guān)頻率增加，變壓器的發(fā)熱呈指數(shù)增加。若采用鐵氧體磁芯，由于鐵氧體的居里點(diǎn)較低，需對變壓器磁芯作散熱處理，工藝制作比較復(fù)雜。若散熱處理不當(dāng)，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導(dǎo)致電路工作異常。若采用非晶做變壓器，將工作ΔB由4000高斯提高到100007葛斯，開關(guān)器件的工作頻率則可以降到100kHz以下。非晶材料在16～100kHz頻率范圍內(nèi)，損耗/Bs值最低，相應(yīng)的變壓器匝數(shù)及體積最小，發(fā)熱量也較小，對提高整機(jī)效率，減小模塊電源的體積有巨大幫助。在采用軟開關(guān)控制技術(shù)的前提下，可以充分發(fā)揮IGBT的低導(dǎo)通壓降，大電流，高耐壓的優(yōu)點(diǎn)，大幅度地提高電源的可靠性。