一種漏感可調(diào)的平面變壓器

李建江　張雪梅　陳麗莉　黃龍

【摘 要】直流開(kāi)關(guān)電源一般采用軟開(kāi)關(guān)諧振的方式，可以利用高頻變壓器在高頻環(huán)境下的漏感和分布電容構(gòu)成LCC串并聯(lián)諧振回路。為滿(mǎn)足模塊化電源系列化生產(chǎn)的需要，本文設(shè)計(jì)了一種組合U型磁芯平面變壓器，通過(guò)調(diào)整條型金屬軟磁磁芯的磁導(dǎo)率來(lái)調(diào)整變壓器的漏感，以滿(mǎn)足軟開(kāi)關(guān)電源諧振電路的需要。

【關(guān)鍵詞】諧振電路；U型磁芯；平面變壓器；漏感調(diào)整；一致性

目前，直流開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)是高開(kāi)關(guān)頻率、低功耗、高功率密度、模塊化以及扁平化，以達(dá)到開(kāi)關(guān)電源小型化、輕量化的目的。高頻變壓器作為開(kāi)關(guān)電源的主要磁性元器件，它的設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)直流電源的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)變壓器的立體結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)不利于散熱，已經(jīng)不適宜電源扁平化的趨勢(shì)。本文研究一種U型磁芯平面變壓器，其具有高頻、高功率密度、高效率等特點(diǎn)。

1 高頻平面變壓器的分布參數(shù)

寬扁型的平面變壓器的結(jié)構(gòu)增加了磁件表面的散熱面積[1]，提高了功率密度，且在高頻環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗大變壓器過(guò)熱的現(xiàn)象。但是隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，電源內(nèi)部的電磁環(huán)境變得更復(fù)雜，高頻下變壓器的漏感和分布電容影響變得十分明顯[2]，影響著電路參數(shù)的設(shè)計(jì)。考慮變壓器漏感和分布電容，并將二次側(cè)漏感和分布電容折合到一次側(cè)的變壓器等效電路模型如圖1所示。

設(shè)LP和LS是變壓器初次級(jí)的漏感，CP和CS是變壓器初次級(jí)的分布電容，則：

設(shè)μe為磁芯的有效磁導(dǎo)率，N1、N2分別為初次級(jí)繞組匝數(shù)，Ae 為磁芯的有效截面積，Le為磁芯的有效磁路長(zhǎng)度，M是變壓器初次級(jí)繞組之間的互感，根據(jù)文獻(xiàn)[2]可推導(dǎo)初級(jí)漏感。

同理可得出次級(jí)漏感。等效分布電容一般是皮法數(shù)量級(jí)，在工頻時(shí)可忽略，但在高頻時(shí)不容忽視[3]，該分布電容由繞組的結(jié)構(gòu)、絕緣厚度以及層間的絕緣介質(zhì)及繞制方法等等因素決定。

2 軟開(kāi)關(guān)諧振電路

在直流開(kāi)關(guān)電源中，如果將逆變器產(chǎn)生的交流高頻電壓直接加在高頻變壓器兩端，由于變壓器寄生電容的存在很可能會(huì)出現(xiàn)很大的電壓尖峰損壞功率器件，而且隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高開(kāi)關(guān)管損耗也增加?？梢詫⒆儔浩髦械募纳鷧?shù)漏感和分布電容加入到諧振電路中，消除尖峰造成的影響。而且通過(guò)設(shè)置合理的回路參數(shù)，使幵關(guān)管具有零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)的功能[5]，從而降低幵關(guān)管的損耗。所以目前應(yīng)用的直流開(kāi)關(guān)電源一般采用軟開(kāi)關(guān)諧振的方式。采用軟開(kāi)關(guān)諧振的直流開(kāi)關(guān)電源的主電路由逆變器、諧振回路、高頻變壓器及濾波器組成，其中諧振回路通常采用LCC串并聯(lián)諧振回路，根據(jù)前面的分析，同時(shí)考慮開(kāi)關(guān)管的分布電容的存在，高頻變壓器就是一個(gè)串并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)[4]。諧振電路的電感器和電容由變壓器的漏感和分布電容以及開(kāi)關(guān)管的分布電容來(lái)提供，減少了元器件的數(shù)量和縮小了整個(gè)電源的體積。在平面變壓器的設(shè)計(jì)中要充分考慮如何對(duì)變壓器的漏感和分布電容進(jìn)行控制調(diào)整并應(yīng)用。

3 漏感可調(diào)的U型磁芯平面變壓器

傳統(tǒng)變壓器的漏感和分布電容，很難控制其批次一致性，這樣給實(shí)際的電路批產(chǎn)調(diào)試帶來(lái)了很大的難度。為解決上述問(wèn)題，本文給出一種U型磁芯平面變壓器，通過(guò)調(diào)整金屬軟磁磁芯的磁導(dǎo)率來(lái)調(diào)整整個(gè)變壓器的漏感，以滿(mǎn)足軟開(kāi)關(guān)電源諧振電路的需要。著重對(duì)U型磁芯結(jié)構(gòu)、導(dǎo)磁率調(diào)整技術(shù)、漏感控制技術(shù)進(jìn)行研究，分析影響變壓器效率的因素，優(yōu)化U型磁芯結(jié)構(gòu)工藝，完成了一種U型平面變壓器的研制。

3.1 U型組合磁芯的結(jié)構(gòu)

通過(guò)磁電結(jié)合的研究方式，發(fā)明了一種新型的磁芯及磁路結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足寬頻率范圍內(nèi)零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)變頻諧振電源拓?fù)湟?。整體磁芯由一對(duì)U型磁芯通過(guò)膠水相互拼接而成，單個(gè)U型磁芯為扁平型鐵氧體軟磁磁芯。通常來(lái)講，同一功率電源往往采用同一尺寸磁芯，以滿(mǎn)足模塊電源系列化生產(chǎn)的需要，但是當(dāng)平面電源變壓器變比發(fā)生變化后，諧振電路需要的電感量就要發(fā)生變化。為了便于漏感的調(diào)試，本設(shè)計(jì)在U型磁芯上開(kāi)始卡槽，并設(shè)計(jì)了一種條型金屬軟磁磁芯并將其裝入U(xiǎn)型磁芯的卡槽內(nèi)，當(dāng)金屬軟磁磁芯的磁導(dǎo)率變化時(shí)就改變了漏感。備有一系列等結(jié)構(gòu)尺寸不同磁導(dǎo)率的條型金屬軟磁磁芯，通過(guò)更換金屬軟磁磁芯來(lái)調(diào)整和控制漏感。U型磁芯的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 U型磁芯平面變壓器的結(jié)構(gòu)

該U型平面變壓器包括一對(duì)相互拼接的U型金屬外殼，U型金屬外殼為非導(dǎo)磁金屬材料，罩在U型磁芯上，主要起到屏蔽作用，用以控制U型磁芯的表面漏感、控制分布電容的介電常數(shù)；在金屬外殼內(nèi)有如圖2的一對(duì)U型組合磁芯（包括U型磁芯內(nèi)的條形金屬軟磁芯）。

該平面變壓器采用一種新型的繞組材料及繞制工藝，并設(shè)計(jì)了一種新型的骨架及繞組結(jié)構(gòu)，既滿(mǎn)足了高頻、高功率密度要求，又滿(mǎn)足了3000V的絕緣耐壓要求。具體是在U型磁芯兩側(cè)和條形金屬軟磁芯外側(cè)設(shè)有一對(duì)絕緣骨架，用于分別纏繞初級(jí)和次級(jí)繞組，這一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了分布電容和漏感的批次穩(wěn)定性和一致性；初級(jí)繞組、次級(jí)繞組采用三層絕緣線(xiàn)制作，三層絕緣線(xiàn)分別是絕緣漆包線(xiàn)編織成的絲網(wǎng)扁平線(xiàn)、絕緣膜銅箔、漆包扁銅線(xiàn)，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組均選擇符合趨膚深度要求的覆膜銅箔和由圓漆包線(xiàn)編織成的扁平線(xiàn)制作，并采用單層密繞的方式繞在磁芯的兩側(cè)。

對(duì)變壓器進(jìn)行組裝時(shí)，先將非導(dǎo)磁U型金屬外殼嵌套并粘接到U型鐵氧體磁芯上；將兩個(gè)U型磁芯對(duì)接并安裝到兩個(gè)已經(jīng)繞有繞組的絕緣支架；將條型金屬軟磁磁芯嵌套到U型鐵氧體磁芯的卡槽內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求測(cè)試變壓器的漏感是否符合要求，通過(guò)更換不同磁導(dǎo)率的條型金屬軟磁磁芯來(lái)改變變壓器的漏感，當(dāng)所測(cè)漏感滿(mǎn)足要求時(shí)，使用環(huán)氧樹(shù)脂將U型鐵氧體磁芯對(duì)接處、磁芯卡槽與條型磁芯對(duì)接處、絕緣支架與U型鐵氧體磁芯的結(jié)合處進(jìn)行粘接；最后將兩片絕緣隔板分別插入到繞組與條型磁芯間的縫隙處并將其粘接到條型磁芯與繞組上。組裝后的產(chǎn)品經(jīng)中國(guó)航天科技集團(tuán)北京華航無(wú)線(xiàn)電測(cè)量研究所環(huán)境實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中心測(cè)試，性能指標(biāo)達(dá)到了開(kāi)關(guān)電源變壓器總規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的U型磁芯平面變壓器，磁芯采用扁平化設(shè)計(jì)，采用多層繞組的邊帶制作技術(shù)，避免由于頻率升高增加溫升；通過(guò)調(diào)整條型金屬軟磁磁芯的磁導(dǎo)率來(lái)調(diào)整整個(gè)變壓器的漏感，以滿(mǎn)足軟開(kāi)關(guān)電源諧振電路的需要；金屬外殼采用非導(dǎo)磁金屬用于控制磁芯的表面漏感、分布電容的介電常數(shù)，并起到散熱作用。與傳統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)諧振電源用傳統(tǒng)變壓器比較，其扁平化設(shè)計(jì)更加適宜模塊電源需求、散熱好、功率密度高、效率高、分布參數(shù)一致性好，其組合U型磁芯結(jié)構(gòu)使漏感調(diào)整方式更加靈活方便。本設(shè)計(jì)已取得發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)。應(yīng)用該變壓器做成的軟開(kāi)關(guān)諧振電源工作頻率可達(dá)3MHz，且便于調(diào)試生產(chǎn)，一致性好，生產(chǎn)效率高，性能穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)模塊電源系列化生產(chǎn)提供了保障。

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[責(zé)任編輯：王楠]