一種推挽逆變器用高頻變壓器的研制方法

摘 要：為改善傳統(tǒng)逆變技術(shù)用工頻變壓器的諸多弊端，介紹了推挽高頻鏈逆變器用核心部件——高頻變壓器的工作模式和設(shè)計方法，詳細(xì)闡述了設(shè)計原理及過程，用詳實、具體的步驟揭示了高頻變壓器設(shè)計、制作的復(fù)雜程序。為驗證設(shè)計效果，試制品在3 kVA單向推挽高頻鏈逆變器上進(jìn)行了試驗。試驗結(jié)果表明設(shè)計的高頻變壓器性能良好，方法清晰、明了，具有一定的實用性和工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：高頻變壓器；工頻變壓器；推挽；高頻鏈

中圖分類號：TM42文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1004373X(2008)1906304

Approach to Research and Development of High Frequency

Transformer in Push-pull Inverter

LIU Zhifu1，LI Xueyong2，GAO Siyuan2

(1.Zhongnan Transmission Machinery Works of Changsha Aviation Industry，Changsha，410200，China;

2.Nanchang Hangkong University，Nanchang，330063，China)

Abstract：The working model and designing method of high frequency transformer which is used in push-pull inverter are introduced.After expounding the principle and designing steps，a model is built and the corresponding experiments are done by high frequency link pull-push inverter of 3KVA.The experiments validate the results.The research results show that the capability of this high frequency transformer is favorable and practical.The method is very perspicuity and can be used in many projects generally.

Keywords：high frequency transformer;low frequency transformer;pull-push;high frequency link

傳統(tǒng)的逆變技術(shù)通常采用逆變器輸出加一級工頻變壓器來實現(xiàn)電氣隔離和調(diào)整電壓比^［1］，但工頻變壓器體積大、笨重，裝置易產(chǎn)生音頻噪聲，對于輸入電壓及負(fù)載的波動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性差 ［2］ 。高頻鏈逆變器電路結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)高功率密度，高變換效率，優(yōu)良綜合性能逆變器的合理方案。高頻變壓器作為高頻鏈逆變電源的核心部件，肩負(fù)著功率傳送、電壓變換、絕緣、隔離幾大功能^［3，4］，其對整個系統(tǒng)的質(zhì)量、功率變換效率和成本都很重要^［5，6］。高頻鏈逆變電源的所有動作和特性幾乎都取決于高頻變壓器的設(shè)計。本文針對高頻變壓器的設(shè)計方法進(jìn)行了詳盡的闡述，并用實驗驗證了該方法的正確性和有效性。

1 高頻變壓器器工作模式

單端反激式(Flyback)DC-DC變換器的電路如圖1所示。中間起能量傳遞和轉(zhuǎn)換作用的即為高頻變壓器，具體工作原理可參考文獻(xiàn)［7-9］。根據(jù)開關(guān)管截止期間儲存磁能的釋放狀態(tài)，可得到單端反激式變換器的三種工作狀態(tài)：電流臨界連續(xù)模式，電流連續(xù)模式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM)，如圖2所示。理想情況下不同工作模式時反激變換器的外特性如圖3所示。曲線A為電流臨界連續(xù)模式時變換器的外特性，曲線簇B為電流斷續(xù)模式時變換器的外特性，曲線簇C為電流連續(xù)模式時變換器的外特性。

圖1 單端反激式開關(guān)電源的原理電路

本文介紹的高頻變壓器是基于電流斷續(xù)模式(DCM)設(shè)計的。DCM模式下的輸入電流波形是三角波，諧波成分少，EMI性能更好^［3，10］。由圖2可知，DCM模式下的變壓器副邊二極管在原邊開關(guān)管再次開通前電流已降為零，沒有因二極管反向恢復(fù)引起的振鈴現(xiàn)象和電磁干擾問題。

圖2 不同模式的電流波形

圖3 反激變換器不同工作模式的外特性

在理想情況下，反激變換器在電流斷續(xù)工作模式下的輸出電壓或輸出電流為：

Uo= TsD2U2i2L1Io

(1)

Io是輸出電流在一個開關(guān)周期中的平均值。輸入電流的峰值為：

I1P=2PoUiηD=UiTsL1D

(2)

若變換器完全工作在電流斷續(xù)模式，則電感量應(yīng)滿足：

L1≤U2iTonf2IomaxTSUo= U2iTonf2Pomax

(3)

2 變壓器試驗參數(shù)設(shè)計

本文試驗平臺為標(biāo)稱功率3 kVA的單向推挽高頻鏈逆變器，最大輸入電壓510 V，開關(guān)頻率40 kHz。變壓器磁芯為R2KZ鐵氧體磁芯EE110。

2.1 磁芯尺寸

查相關(guān)資料可得磁芯相關(guān)參數(shù)：

中心柱截面積:Ae= 12.8 (cm2);

窗口面積:Aw=1.91×7.44= 14.21(cm2);

功率容量乘積:Ae×Aw=12.8×14.21= 181.89;

而本變換器的一個組件的設(shè)計功率計算值為:

AP=PT×1062ηfSBmδKmKC

=6 000×1062×0.8×40×103×4 500×2×0.2×1

52.08

(4)

其中：PT為變壓器的標(biāo)稱功率×2;

Bm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，取4 500 G;

η為變壓器的效率，取0.8;

fS為變壓器的開關(guān)頻率，取40 kHz;

Km為窗口的銅填充系數(shù)，取02;

KC為磁芯填充系數(shù)，對于鐵氧體KC= 1。

可見采用EE110的的鐵芯功率容量是足夠大。

2.2 輸出瞬時功率

輸出瞬時功率:

Po=uo×io

=2Uosin(ωt)×2Iosin(ωt－φ)

(5)

當(dāng)φ=0時，瞬時輸出的最大功率為：

Pomax=2Uo×Io=2Po

=2×3 000=6 000 W

(6)

2.3 原邊電感

若要讓變壓器工作在斷續(xù)狀態(tài)，原邊電感需滿足如下條件：

L1≤η·D2max·Ts·U2imin2Po

=0.6×0.452×25×10－6×50022×6 000

63.3 μH

(7)

2.4 匝數(shù)比

匝數(shù)比:

N=(1－Dmax)UoDmaxUi=(1－0.45)×3200.45×50011.28

(8)

2.5 最大峰值電流

原邊電流峰值：

Ipmax=Dmax·Ts·UiL1

=0.45×25×10－6×50063×10－689 A

(9)

將原邊電感計算代入上式可得：

Ipmax=2PoηDmaxUi

(10)

原邊電流有效值：

Ip=1Ts∫Ton0Ip1Tont₂dt=Ip1D3

=89×0.408=36.3 A

(11)

考慮損耗，取為37 A。

副邊電流峰值：

Ismax=Ipmax/N=89×1.28114 A

(12)

副邊電流有效值：

Is=Ip/N=36.3×1.28=46.5 A

2.6 氣隙

lg=0.4πNp1AeLp1

=0.4π×9.72×12.863×10－6×10－82.4 mm

(13)

2.7 初級繞組匝數(shù)計算

N1=Lp1·Ip1BW·Ae×104

=63×10－6×890.45×12.8×1049.7

(14)

2.8 次級匝數(shù)

N2=N1·Up2Up1min·1－αmaxαmax

=9.7×320500×1－0.450.457.6

(15)

2.9 導(dǎo)線規(guī)格的確定

查表得到，工作頻率為40 kHz時的穿透深度為0.330 4 mm，根據(jù)導(dǎo)線直徑小于兩倍穿透深度的原則。當(dāng)直徑大于兩倍穿透深度時，應(yīng)盡可能采用多股導(dǎo)線并聯(lián)。一般大電流，匝數(shù)少時，可以考慮用銅皮；電流小而匝數(shù)多時，用漆包線。取電流密度為7 A/mm2，2個EE110磁芯的窗口寬度是744 mm，窗口深度是191 mm。

原邊繞組的導(dǎo)電面積：

Sp＝36.3/7＝5.19 mm2

副邊繞組的導(dǎo)電面積：

Ss＝46.5/7＝6.64 mm2

原副邊繞組均采用70 mm寬度的銅皮，則厚度為：

I1RJ×70=36.37×70=0.07 mm

所以原邊選擇0.1 mm厚，70 mm寬的銅皮。

I2RJ×70=46.57×70=0.09 mm

所以副邊選擇0.1 mm厚，70 mm寬的銅皮。

2.10 變壓器的校驗

Ku=∑WAcunAw

=2×9.7×70×0.1+7.6×70×0.11 421

0.13<0.4

(16)

其中：Ku為窗口面積的填充系數(shù)，∑NAcun為窗口中所有線圈的匝數(shù)N與對應(yīng)導(dǎo)線截面積Acun乘積之和，Aw是磁芯窗口面積。

當(dāng)Uimax＝510 V時，最大占空比：

Dmax=2UonUimax+2Uo=0.45；

iL1max=UimaxDmaxTSL1=89 A；

N1iL1max=863.3 AN；

BSμ0δ=5 100×0.330.4×3.14=1 340 AN

從而可以知道：N1iL1max

2.11 變壓器的繞制

本文所設(shè)計的高頻推挽變壓器有3個繞組，原邊兩個繞組應(yīng)盡量保持一致性，采用并繞方式；即先繞原邊兩個繞組9.7匝，再繞副邊繞組7.6匝。但一般情況下為了降低變壓器繞組的漏感，采取原副邊夾繞方式。實物圖見圖4。

圖4 高頻推挽變壓器實物圖

3 實 驗

測試實驗結(jié)果如圖5，圖6所示。結(jié)合DC-DC反激變換器的原理圖1，可對圖5，圖6作如下分析：

當(dāng)V1導(dǎo)通時，在ton時間內(nèi)原邊電流i1呈線性上升，峰值為10.6 A，副邊無電流。此時原邊上的電壓為電源電壓U1為64 V;當(dāng)V1截止時，原邊無電流，副邊開始釋放能量，副邊電流i3由125 A開始呈線性下降，在toff內(nèi)降至0 A，此時原邊電壓為NU3，由圖6可知，U1約為32 V。

在圖5中，原邊電流在IGBT導(dǎo)通時，產(chǎn)生了一個振蕩，這是作者所使用的電流互感器造成的。本文用磁環(huán)繞制環(huán)形電感，將回路中的導(dǎo)線穿過磁環(huán)，利用電磁感應(yīng)的原理，可得到電流對應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號。但由于未加上濾波器等原因，使得電感在充電時會產(chǎn)生一個振蕩，該振蕩與所測電流無關(guān)。

圖6中u1的波形在IGBT截止時，也有一個振蕩產(chǎn)生。從波形可看出該振蕩為二階的振蕩形式，這是由于變壓器中不但有電感，還存在分布電容。電感與電容構(gòu)成了二階系統(tǒng)，使得關(guān)斷時有振蕩出現(xiàn)。

由圖中數(shù)據(jù)可算得以下參數(shù)：

由

UoUi=N3N1·tontoff

，可知:

N3N1=UoUi·toffton=3264×0.60.4=0.7511.33

原邊電感：

L1=U1·tonΔip1=64×04×25×10－610.6

603 μH

副邊電感：

L3=U3·toffΔip2=40×0.75×0.6×25×10－613

34.6 μH

由L1L3=N1N32可得:

L3=L1·(0.74)2=60.3×10－6×0562 5

338 μH

輸入功率：

Pin=0.4×0.5Uiiimax

=0.4×0.5×64×10.6=135.68 W

圖5 原邊電流與副邊電流(100 mV/1.3 A)

圖6 原邊電壓與原邊電流(100 mV/1.3 A)

輸出功率：

Pout=U2o/RL=322/8=128 W

變換效率：

η=128135.6894%

由此可以證明，此變壓器設(shè)計是比較成功的。

4 結(jié) 語

本文在闡述了高頻變壓器工作模式的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了單向推挽高頻鏈逆變器用高頻變壓器的設(shè)計方法和步驟，使得原本看似復(fù)雜的變壓器設(shè)計變得清晰、明了。該方法具有一定的普遍性和實用性。其設(shè)計效果在3 kVA的推挽逆變器上得到了驗證。試驗結(jié)果表明設(shè)計的變壓器性能良好，轉(zhuǎn)換效率及功率密度均能滿足實踐要求。

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作者簡介 劉芝福 男，1979年出生，四川內(nèi)江人，工程師。2004年7月畢業(yè)于南昌航空大學(xué)自動化學(xué)院，現(xiàn)供職于中南傳動機(jī)械廠技術(shù)中心。主攻方向為運動控制。

李學(xué)勇 男，1982年出生，湖南長沙人，在讀碩士研究生，專業(yè)方向為現(xiàn)代電力電子技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文