【文章內(nèi)容簡介】 變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為 : TIST=N3*Ton/N1 輸出電壓 :輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下 : UO/UI=N2*Ton/N1*T 8 磁心復(fù)位過程 : 只有少數(shù)問題能夠用解析的方法求出精確解，這類問題往往是方程性質(zhì)比較簡單，幾何邊界相當(dāng)規(guī)則。而對于大多數(shù)工 程技術(shù)問題，由于研究對象的幾何形狀比較復(fù)雜或者問題的某些特征是非線形的，則很少有解析解。對于這類問題往往有兩種解決方法：一是將方程和邊界條件簡化為容易處理的問題，從而得到它在簡化狀態(tài)下的解。這種方法只在有限的情況下是可行的，因?yàn)檫^多的簡化可能導(dǎo)致解與實(shí)際值偏差很大或者甚至是荒謬的。另一種方法是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，使用數(shù)值模擬方法求得滿足工程要求的數(shù)值解。高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)，由于所涉及的幾個(gè)主要變量是非線性的，因此目前國內(nèi)外對高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)主要有兩類方法，一類是簡化求解：一類是數(shù)值模擬。 高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)相對于低頻要復(fù)雜得多，諸如趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、疇壁共振等許多因素在低頻下可被忽略，而在高頻下卻變得十分重要。以下幾個(gè)問題是高頻變壓器設(shè)計(jì)中討論最多的問題。高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)相對于低頻要復(fù)雜得多，諸如趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、疇壁共振等許多因素在低頻下可被忽略，而在高頻下卻變得十分重要。以下幾個(gè)問題是高頻變壓器設(shè)計(jì)中討論最多的問題。 當(dāng)導(dǎo)線中流過高頻交流電流時(shí)，電流將向?qū)Ь€表面集中，導(dǎo)致導(dǎo)線表面電流密度增大。這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。由于趨膚效應(yīng)，交變電流沿導(dǎo)線表面向?qū)Ь€中心衰減，當(dāng)衰減到表面電流強(qiáng)度的 l， e時(shí)所達(dá)到的徑向深度，稱之為趨膚深度。趨膚深度與電流的頻率、導(dǎo)線的磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率有關(guān)，其關(guān)系為： puf??? (式中． f為頻率， u為導(dǎo)線磁導(dǎo)率， P為導(dǎo)線電阻率。其中 P是 — 個(gè)隨溫度變化的量。 ) 交流電阻的理論值和實(shí)測值很接近，只是實(shí)測的交流電阻值較理論值稍大一些，這主要是由于 Dowell模型假設(shè)漏磁平行導(dǎo)體交界面分布，這只有在導(dǎo)體的寬度和厚度之比很大時(shí)才近似成立，而且也沒有考慮導(dǎo)體之間的鄰近效應(yīng)以及氣隙的邊緣效應(yīng)。但由于理論值和實(shí)測值 的偏差不大，因此還是很適用于高頻變壓器繞組的交流電阻和漏感的預(yù)測。同時(shí)，許多論文對 Dowell的結(jié)論做了修正和發(fā)展指出 Dowell模型雖然廣泛使用，而且比較有效?？墒沁@個(gè)著名的因子并無理論根據(jù)，通過比較實(shí)驗(yàn)值與 Dowell模型理論值，為 Dowell交流電阻系數(shù)計(jì)算公式引人了 3個(gè)修正參數(shù)，這 3個(gè)參數(shù)用來校正分析曲線，使其與實(shí)測結(jié)果更吻合。目前常用的數(shù)值模擬方法主要有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法， 9 其中最常用的是有限元法，有限元計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。國際著名的通用有限 元軟件有幾十種，常用的有： SAP、 ANSYS、 ANSOFT、NASTRAN、 ADINA、 ALGOR— FEM 等，其中 ANSYS、 ANSOFF、 NASTRAN軟件是變壓器分析中最常用的軟件。利用有限元軟件可以有效地分析變壓器的電感、電容、渦流、磁通密度、電流密度、電磁場分布、能量損耗、溫升等。有限元分析的過程主要有三步：前處理、求解計(jì)算及后處理。前處理階段主要的工作是選擇分析模塊、定義單元類型和材料特性、建立實(shí)體模型、對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加載荷和邊界條件等。求解計(jì)算階段主要的工作是選擇求解類型并設(shè)置求解選項(xiàng) 。后處理階段的主要工作是讀取求解結(jié)果，對求解結(jié)果進(jìn)行圖形、列表顯示等。對于變壓器的電磁場分析，主要有二 (三 )維諧性分析和二 (三 )維瞬態(tài)分析。前者適于激勵源服從一定交變規(guī)律 (如正弦、余弦 )的情況：后者適于激勵源無規(guī)則變化的情況。對于變壓器的溫升，要利用有限元軟件的耦合場來分析，并且還要為軟件提供變壓器的熱導(dǎo)率、比熱、對流換熱系數(shù)、焓、輻射系數(shù)、生熱率等。目前，利用數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)高頻開關(guān)電源變壓器主要分為定性分析和定量分析。前者一般采用二維分析，其目標(biāo)不是關(guān)心具體量值，而是比較在不同的情況下，某一量的變化情況 ，從而得到一些指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)原則。后者則重視具體的量值，盡可能通過數(shù)值模擬方法得到高頻開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)中某些不易計(jì)算量的精確值并和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，最終達(dá)到在一定程度上替代實(shí)驗(yàn)的目的。因此相對于二維分析，三維分析更適于定量分析，然而由于三維分析的復(fù)雜性，因此很多情況下也用二維分析來進(jìn)行定量分析。 Dai等人加 通過二維有限元方法，研究了繞組間隙及初次級繞組的寬度對邊緣效應(yīng)的影響，如圖 2所示。為了研究邊緣效應(yīng)與繞組間隙的關(guān)系，作者設(shè)計(jì)的分析模型見圖 2a，其中磁芯為罐狀磁芯，初次級為 0． 127mm (5mil)的銅薄帶。通過有限元分析，得到 500kHz時(shí)不同繞組間隙下的磁場分布情況。圖 2b和 2c所示的繞組間隙分別為 0． 254mm(10mil)和 0． 127mm(50mil)的情況。作者由此得出結(jié)論：漏感隨繞組間隙的增大而單調(diào)遞增。 (c) 然而要精確地進(jìn)行定量分析，現(xiàn)在還存在以下困難： (1)復(fù)雜的有限元模型，尤其是三維模型，往往很難通過有限元軟件本身來建立，而是要通過該軟件與 CAD軟件的接口去調(diào)用 CAD 軟件所建立的模型這里有兩個(gè)問題，首先這類 CAD 軟件在國內(nèi)剛流行不久，很難找到合適好用的該類軟件：其次 用該類 CAD 軟件建立的三維復(fù)雜模型，比如三維繞組模型，在調(diào)入到有限元軟件中后，有時(shí)會產(chǎn)生錯(cuò)誤。 (2)大型有限元模型對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源要求很高，并且運(yùn)算時(shí)間較長。 (3)不容易檢查分析結(jié)果的正確性，只能與實(shí)測值進(jìn)行 比對。 高頻變壓器的設(shè)計(jì)包括 :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) ,線圈參數(shù)的設(shè)計(jì) ,組裝結(jié)構(gòu)的選擇和溫升校核等內(nèi)容。 (1) 磁芯材料的選擇 設(shè)計(jì)高頻變壓器 ,選擇軟磁材料是關(guān)鍵的第一步 ,各種磁芯的特性比較如表 1所示。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 [4]。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 10 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。 (2) 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 ,對窗口面積的大小 ,要綜