【正文】 2000最大導(dǎo)磁率200000200000200000200000010000200000　 矯頑力(A/m) 3 20 鐵損/(W/kg)P1/50= P1/400= 20510 P1/50/400=20k=1320 串聯(lián)諧振CCPS對(duì)磁心材料的要求高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源的核心部件，其設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的體積、功率容量和變換效率都非常重要。常用軟磁材料的性能參數(shù)對(duì)比如表31所示。目前，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)科研院所和企業(yè)提供該系列鐵心，并實(shí)現(xiàn)了鐵心產(chǎn)品的批量生產(chǎn)和供貨，但還沒(méi)有完成非晶態(tài)及超微晶合金鐵心的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化工作。非晶態(tài)合金及超微晶均為近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的軟磁合金材料，這種材料具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，磁心損耗極低，磁性能穩(wěn)定，溫度特性好的特點(diǎn)，在中、高頻電子設(shè)備的電磁期間領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。除了需要低損耗的磁性材料之外，在開(kāi)發(fā)高效的磁心形狀和繞組設(shè)計(jì)技術(shù)方面，日本TDK、Tokin、日立、富士電氣公司、荷蘭飛利浦、德國(guó)西門子、美國(guó)Ferronix等公司都取得了顯著成果。高頻變壓器中最常用的磁性材料有軟磁鐵氧體、坡莫合金和非晶態(tài)合金。從40年代到 60年代，是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，雷達(dá)、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對(duì)軟磁材料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。隨著電力工及電訊技術(shù)的興起，開(kāi)始使用低碳鋼制造電機(jī)和變壓器。 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器磁心分析 軟磁材料的發(fā)展歷程磁性材料有軟磁和硬磁之分，在開(kāi)關(guān)變壓器中使用的是軟磁材料。(2) 按傳送功率分，10kW以上為大功率，10kW～，～25W為小功率，25W以下為微功率。變壓器一般由磁心和線圈構(gòu)成，簡(jiǎn)單的變壓器結(jié)構(gòu)如圖31所示，按照電磁感應(yīng)原理，在初級(jí)繞組加交變電壓，產(chǎn)生交變磁通，在次級(jí)繞組感生輸出電壓，從而起到傳輸能量，電氣隔離等作用。變壓器在電子設(shè)備中占有很重要的地位，電源設(shè)備中交流電壓和直流電壓幾乎都由變壓器通過(guò)變換整流而獲得。 圖28 串聯(lián)諧振CCPS仿真電路圖 圖29 充電過(guò)程中負(fù)載電容上電壓波形圖210 充電過(guò)程中高頻變壓器初級(jí)電壓波形第3章 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)變換電能以及把電能從一個(gè)電路傳遞到另一電路的靜止電磁裝置稱為變壓器，世界上第一臺(tái)變壓器在1885年誕生于匈牙利。從仿真波形中也可以看出，每個(gè)完整諧振周期內(nèi)，二者電壓增長(zhǎng)量恒定；整個(gè)充電過(guò)程中，負(fù)載電容電壓線性增長(zhǎng)，變壓器初級(jí)的電壓波形近似為峰值線性增加的矩形波，高頻變壓器這種工作狀態(tài)對(duì)其磁心材料的選取有著重要的影響。 串聯(lián)諧振CCPS輸出特性分析通過(guò)對(duì)一個(gè)完整的充電周期中五個(gè)工作模式的分析，得出每個(gè)模式的，諧振電容電壓和等效負(fù)載電容上電壓的表達(dá)式。模式4的等值電路如圖27，模式4中諧振電容和等效負(fù)載電容上電壓的起始值為模式3的結(jié)束值，參考模式3的分析方法，則有： (220) (221) (222)式中： (223)由式(220)、(221)、(222)、(223)可以看出，模式4的諧振電流峰值以及模式4結(jié)束時(shí)的諧振電容和等效負(fù)載電容上的電壓值只與模式3起始時(shí)刻的電壓有關(guān)。模式3的等值電路如圖26，模式3中諧振電容和等效負(fù)載電容上電壓的起始值為模式2的結(jié)束值，參考模式2的分析方法，則有： (216) (217) (218)式中： (219)由式(216)、(217)、(218)、(219)可以看出，模式3的諧振電流峰值以及模式3結(jié)束時(shí)的諧振電容和等效負(fù)載電容上的電壓值只與模式3起始時(shí)刻的電壓有關(guān)。圖26 模式3的等值電路模式3：過(guò)渡模式后，控制信號(hào)GG3到來(lái)，開(kāi)關(guān)管VV3受控導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通，與模式2一樣，諧振電流仍然反向流動(dòng)。模式2的等值電路如圖25，模式2中諧振電容和等效負(fù)載電容上電壓的起始值為模式1的結(jié)束值，參考模式1的分析方法，則有： (212) (213) (214)式中： (215)由式(212)、(213)、(214)、(215)可以看出，模式2的諧振電流峰值以及模式2結(jié)束時(shí)的諧振電容和等效負(fù)載電容上的電壓值只與模式2起始時(shí)刻的電壓有關(guān)。則有： (26) (27) (28)式中： (29) (210) (211)由式(26)、(27)、(28)、(29)可以看出，模式1的諧振電流峰值以及模式1結(jié)束時(shí)的諧振電容和等效負(fù)載電容上的電壓值只與模式1起始時(shí)刻的電壓有關(guān)。并用數(shù)字0表示模式1的起點(diǎn)，數(shù)字1表示模式1的終點(diǎn)。 (23)模式1中，諧振電容上的電壓和等效負(fù)載電容上的電壓可由式(24)、(25)給出。 (21)(21)式中特性阻抗和諧振角頻率見(jiàn)式(22)，對(duì)應(yīng)于模式1的起點(diǎn)時(shí)刻，對(duì)應(yīng)于本模式要考察的時(shí)刻。由于是零電流開(kāi)關(guān)，故在每個(gè)模式的起始和結(jié)束時(shí)刻，諧振電感中的電流總是為零，即電感上電壓的初值總為0，在電路等效時(shí)可不必考慮。模式1的等值電路見(jiàn)圖24，表示諧振電容兩端的電壓，表示諧振電容在本模式起始時(shí)刻的初值，等效為一個(gè)電壓源；表示負(fù)載電容兩端的電壓，表示諧振電容在本模式起始時(shí)刻的初值，也等效為一個(gè)電壓源。其中為開(kāi)關(guān)頻率，為諧振頻率，為諧振周期，為驅(qū)動(dòng)脈沖寬度。 串聯(lián)諧振CCPS充電過(guò)程分析 圖 22 串聯(lián)諧振CCPS組成簡(jiǎn)圖串聯(lián)諧振CCPS組成簡(jiǎn)圖如圖22所示，為直流供給電壓，開(kāi)關(guān)管VVVV4及其內(nèi)部反向并聯(lián)二極管DDDD4構(gòu)成一個(gè)全橋逆變器，開(kāi)關(guān)管VVVV4的控制信號(hào)分別為GGGG4，和分別為諧振電感和諧振電容，為變比1:n的高頻變壓器，DDDD8構(gòu)成一個(gè)整流橋， 和分別為諧振電流和充電電流，為負(fù)載電容，為方便討論，可將接在高壓變壓器次級(jí)的負(fù)載電容等效到變壓器初級(jí)，其值，等效電路如圖23所示。因此這三種諧振式充電電源對(duì)高頻變壓器磁心的選取原則是相同的，對(duì)高頻變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法也是相通的。利用諧振現(xiàn)象，是開(kāi)關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，可以創(chuàng)造零電壓開(kāi)通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱為諧振變換器，它可分為串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振變換器三種[1][7]。軟開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管，在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開(kāi)關(guān)(ZeroVoltageSwitching，ZVS)，或是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零，即零電流開(kāi)關(guān)(ZeroCurrentSwitching，ZCS)。硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器以用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)方式控制開(kāi)關(guān)為主要特征，其開(kāi)關(guān)器件是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下，開(kāi)通或關(guān)斷電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗(Switching loss)。(4) 按電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：①隔離式有正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋式；②非隔離式有降壓型、升壓型和升降壓型等。(2) 按驅(qū)動(dòng)方式，可分為自激式和他激式。高頻開(kāi)關(guān)電源的基本電路由“交流－直流轉(zhuǎn)換電路”、“開(kāi)關(guān)型功率變換器”“整流濾波電路”和“控制電路”等組成，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖21所示[25]。以開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器為主要組成部分，用閉環(huán)自動(dòng)控制來(lái)穩(wěn)定輸出電壓，并在電路中加入保護(hù)環(huán)節(jié)的電源，叫做開(kāi)關(guān)電源(Switching Power Supply)。4. 在分析高頻變壓器分布電容對(duì)該種電源充電過(guò)程影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論推導(dǎo)出的諧振電流正負(fù)周期的變化規(guī)律，以及充電過(guò)程中示波器所觀察到的諧振電流波形，提出一種測(cè)量分布電容的方法，為高頻變壓器優(yōu)化中分布電容的計(jì)算提供了數(shù)據(jù)支持。3. 對(duì)不易準(zhǔn)確計(jì)算的高頻變壓器漏感和分布電容，采用有限元分析軟件ANSYS分別建立了變壓器3D有限元模型，并進(jìn)行了仿真。本論文的主要工作包括：1. 在分析串聯(lián)諧振式電容充電電源工作過(guò)程中，變壓器初級(jí)電壓波形變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)不同矩形比下磁心材料磁通密度的工作范圍進(jìn)行了比較，為實(shí)現(xiàn)變壓器小型化目標(biāo)，選取低矩形比納米晶作為磁心材料。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者也分別采用有限元法對(duì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，如趙爭(zhēng)菡等人使用MATLAB對(duì)高頻變壓器的電場(chǎng)分布進(jìn)行了的二維有限元分析，進(jìn)而根據(jù)電場(chǎng)能計(jì)算了分布電容的值[32]；電子科技大學(xué)的姬海寧等人對(duì)開(kāi)關(guān)電源變壓器磁心漏磁場(chǎng)進(jìn)行了三維定性分析，并對(duì)磁心表面溫升進(jìn)行了三維仿真研究[33][34]。二十世紀(jì)七十年代，有限元法逐漸發(fā)展起來(lái)，并因網(wǎng)格剖分靈活、數(shù)值穩(wěn)定性好等特點(diǎn)很快成為計(jì)算電磁場(chǎng)問(wèn)題的主要方法。有限差分法因其數(shù)學(xué)概念簡(jiǎn)單、形成系數(shù)矩陣方便，最早應(yīng)用于電磁場(chǎng)計(jì)算，至六十年代末，已有比較成熟的分析變壓器漏磁場(chǎng)的二維有限差分程序。常用的變壓器數(shù)值模擬方法有有限差分法、有限元法、邊界元法等，可以有效地分析繞組中的高頻效應(yīng)、繞組損耗、變壓器電磁場(chǎng)分布、分布參數(shù)和溫升等[27]。目前，利用數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)高頻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)是得到一些指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)原則。近年來(lái)高頻變壓器中分布參數(shù)的解析求解成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其解析公式是根據(jù)變壓器中漏磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)中所存的能量通過(guò)理論推導(dǎo)得出的，目前已存在不同磁心結(jié)構(gòu)和繞組結(jié)構(gòu)下的漏感計(jì)算公式[24][25]。在此基礎(chǔ)上，Mulder等人分別考慮了溫度和非正弦電壓波形對(duì)磁心損耗的影響，對(duì)Steinmetz公式進(jìn)行了修改和推廣[21][22]。應(yīng)用這一模型可以方便計(jì)算繞組的高頻損耗，此后眾多學(xué)者又通過(guò)引入修正系數(shù)的方式對(duì)Dowell模型做了修改和發(fā)展[19][20]。高頻變壓器參數(shù)的計(jì)算方法可分為兩類：一類是解析法，一類是數(shù)值模擬。軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀(jì)末，20世紀(jì)20年代出現(xiàn)了坡莫合金，40年代生產(chǎn)出了軟磁鐵氧體材料，進(jìn)入70年代又興起了非晶態(tài)軟磁合金和納米晶材料[17]?？梢?jiàn)在高頻化和高功率密度化的過(guò)程中，變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于解決以下問(wèn)題：合理選取高頻磁性材料和磁心繞組的結(jié)構(gòu)；準(zhǔn)確計(jì)算磁心和繞組損耗；準(zhǔn)確計(jì)算高頻變壓器漏感和分布電容；合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)電源的高頻化和高功率密度化的發(fā)展趨勢(shì)增加了變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度：一方面高頻化縮小了變壓器的體積并增加了磁心和繞組中的損耗，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱嚴(yán)重且散熱表面減小，這對(duì)高頻變壓器的散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求；另一方面開(kāi)關(guān)頻率的增加導(dǎo)致變壓器中的分布參數(shù)，即漏感和分布電容，對(duì)變換器的性能產(chǎn)生重要的影響。1980年以前，DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率為20～50kHz，從20世紀(jì)80年代起，由于一些新功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件、功率模塊和高頻磁性材料的出現(xiàn)，提高開(kāi)關(guān)頻率已成為減小開(kāi)關(guān)電源體積和重量的主要手段，同時(shí)也改善了開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能[7] [8][9]；八十年代國(guó)外開(kāi)關(guān)電源的研究頻率就已經(jīng)在 1～10MHz[10][11]；二十世紀(jì)末期，國(guó)外開(kāi)關(guān)電源的功率也迅速得到提高，10～30kW的大功率開(kāi)關(guān)電源在產(chǎn)品上已很成熟，更高功率的開(kāi)關(guān)電源也有很快發(fā)展，如俄羅斯研制的用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)的140kW開(kāi)關(guān)電源[12]。這兩篇文章指明了開(kāi)關(guān)電源小型化的研究方向，即高頻化和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。20世紀(jì)60年代，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源（開(kāi)關(guān)電源）由于具有功率轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，取代了線性電源。因此，高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源高頻化和高功率密度化目標(biāo)的關(guān)鍵。關(guān)鍵詞：大功率 高頻 開(kāi)關(guān)電源變壓器 優(yōu)化設(shè)計(jì) ANSYSAbstractWith the continuous development of power technology, highfrequency and high power density switching power supply has bee the direction of the research and development trends. Transformer is an essential ponent in switching power supply, and its impact on the performance of the system also bee increasingly important with higher frequency and higher power levels. Therefo