【文章內容簡介】 變壓器的磁心復位時間為 : 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比較簡單，幾何邊界相當規(guī)則。而對于大多數(shù)工 程技術問題，由于研究對象的幾何形狀比較復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，因為過多的簡化可能導致解與實際值偏差很大或者甚至是荒謬的。另一種方法是利用計算機強大的計算能力，使用數(shù)值模擬方法求得滿足工程要求的數(shù)值解。高頻開關電源變壓器的設計，由于所涉及的幾個主要變量是非線性的，因此目前國內外對高頻開關電源變壓器的設計主要有兩類方法，一類是簡化求解：一類是數(shù)值模擬。 高頻開關電源變壓器的設計相對于低頻要復雜得多，諸如趨膚效應、鄰近效應、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。以下幾個問題是高頻變壓器設計中討論最多的問題。高頻開關電源變壓器的設計相對于低頻要復雜得多，諸如趨膚效應、鄰近效應、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。以下幾個問題是高頻變壓器設計中討論最多的問題。 當導線中流過高頻交流電流時，電流將向導線表面集中，導致導線表面電流密度增大。這種現(xiàn)象稱為趨膚效應。由于趨膚效應，交變電流沿導線表面向導線中心衰減，當衰減到表面電流強度的 l， e時所達到的徑向深度，稱之為趨膚深度。趨膚深度與電流的頻率、導線的磁導率及電導率有關，其關系為： puf??? (式中． f為頻率， u為導線磁導率， P為導線電阻率。其中 P是 — 個隨溫度變化的量。 ) 交流電阻的理論值和實測值很接近，只是實測的交流電阻值較理論值稍大一些，這主要是由于 Dowell模型假設漏磁平行導體交界面分布，這只有在導體的寬度和厚度之比很大時才近似成立，而且也沒有考慮導體之間的鄰近效應以及氣隙的邊緣效應。但由于理論值和實測值 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測。同時，許多論文對 Dowell的結論做了修正和發(fā)展指出 Dowell模型雖然廣泛使用，而且比較有效?？墒沁@個著名的因子并無理論根據(jù)，通過比較實驗值與 Dowell模型理論值，為 Dowell交流電阻系數(shù)計算公式引人了 3個修正參數(shù)，這 3個參數(shù)用來校正分析曲線，使其與實測結果更吻合。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，有限元計算結果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設計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、建立實體模型、對模型進行網(wǎng)格劃分、施加載荷和邊界條件等。求解計算階段主要的工作是選擇求解類型并設置求解選項 。后處理階段的主要工作是讀取求解結果，對求解結果進行圖形、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)值模擬方法設計高頻開關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，其目標不是關心具體量值，而是比較在不同的情況下，某一量的變化情況 ，從而得到一些指導性的設計原則。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電源變壓器設計中某些不易計算量的精確值并和實驗值進行比較，最終達到在一定程度上替代實驗的目的。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雜性，因此很多情況下也用二維分析來進行定量分析。 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的影響，如圖 2所示。為了研究邊緣效應與繞組間隙的關系，作者設計的分析模型見圖 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。作者由此得出結論：漏感隨繞組間隙的增大而單調遞增。 (c) 然而要精確地進行定量分析，現(xiàn)在還存在以下困難： (1)復雜的有限元模型，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軟件的接口去調用 CAD 軟件所建立的模型這里有兩個問題，首先這類 CAD 軟件在國內剛流行不久，很難找到合適好用的該類軟件：其次 用該類 CAD 軟件建立的三維復雜模型，比如三維繞組模型，在調入到有限元軟件中后，有時會產(chǎn)生錯誤。 (2)大型有限元模型對計算機系統(tǒng)資源要求很高，并且運算時間較長。 (3)不容易檢查分析結果的正確性，只能與實測值進行 比對。 高頻變壓器的設計包括 :磁芯材料的選擇 ,磁芯結構的選擇 ,磁芯參數(shù)的設計 ,線圈參數(shù)的設計 ,組裝結構的選擇和溫升校核等內容。 (1) 磁芯材料的選擇 設計高頻變壓器 ,選擇軟磁材料是關鍵的第一步 ,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率 ,低的矯頑力 ,高的電阻率。磁導率高 ,在一定線圈匝數(shù)時 ,通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應強度 ,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。鐵氧體材料是復合氧化物燒結體 ,和其它軟磁磁芯材料一樣 ,軟磁鐵 10 氧體的優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小 ,價格便宜 ,易加工成各種形狀的 磁芯 ,缺點是工作磁通密度低、磁導率不高、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) 磁芯結構的選擇 磁芯基本結構有 :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 ,由二個 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構形式 ,可以減少 EMI。缺點是內部線圈散熱不良 ,溫升較高。高 頻變壓器設計時選擇磁芯結構應考慮的因素 :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構設計中 ,對窗口面積的大小 ,要綜