高频开关电源主要磁性元件的设计
引言
高频开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入/输出共模电感，功率变压器，饱和电感以及各种差模电感。各种磁性元器件对磁性材料的要求各不相同，如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和;共模电感则希望μ值要高，频带宽;功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小，损耗低等。在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高μ值(6k～10k)mn-zn合金，差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。这些材料应用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择。随着非晶材料的出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其它材料无法比拟的优点。几种常用磁性材料基本性能比较如表l。
1 主变压器的设计
对于高频开关电源的主要发热元件，主变压器的设计尤其重要，其尺寸的大小和材料的选择更是重要。
1)主变压器的磁芯必须具备以下几个特点
(1)低损耗;
(2)高的饱和磁感应强度且温度系数小;
(3)宽工作温度范围;
(4)μ值随b值变化小;
(5)与所选用功率器件开关速度相应的频响。
早前高频变压器一般选用铁氧体磁芯，下面对vitroperm500f铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的n67系列铁氧体磁芯的性能进行较，见图l。
从以上图表可以看出两者有以下区别：
(1)相同工作频率(200khz以下)，非晶材料损耗明显低于铁氧体，工作频率越低，工作b值越高，非晶材料优势越明显。但在250khz以上频段，铁氧体损耗要明显低于非晶材料。
(2)非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器热设计的难度。
(3)非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器设计的难度，提高了电源运行的稳定性和可靠性。
(4)非晶材料bs·μ值是铁氧体的10～15倍，意味着变压器体积重量可以大幅减小。
变压器设计过程中，最困难的是热设计，变压器的产热与多方面的因素有关，如磁芯损耗，铜损等。开关频率增加，变压器的发热呈指数增加。若采用铁氧体磁芯，由于铁氧体的居里点较低，需对变压器磁芯作散热处理，工艺制作比较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。若采用非晶做变压器，将工作δb由4000高斯提高到100007葛斯，开关器件的工作频率则可以降到100khz以下。非晶材料在16～100khz频率范围内，损耗/bs值最低，相应的变压器匝数及体积最小，发热量也较小，对提高整机效率，减小模块电源的体积有巨大帮助。在采用软开关控制技术的前提下，可以充分发挥igbt的低导通压降，大电流，高耐压的优点，大幅度地提高电源的可靠性。
2 磁芯的选择
因为全桥变换器中的变压器工作在双端，对br的要求不是很严格，它需要的是2bm。但若选用高br的磁芯，当电源功率较大时，容易产生饱和现象。为此，对于中、大功率的开关电源，主变压器选用饱和磁感应强度bs高、剩余磁感应强度b，低的磁芯。虽然铁基非晶材料的饱和磁感应强度bs高，但是由于铁基非晶材料的工作频率较低(50000，损耗p(0.5t、20khz)<30w/kg。外形尺寸：外径l30mm，内径80mm，厚40mm，磁芯有效截面积ac=7.5cm2.
(1)取设定工作时，最大工作磁密bm=0.5t，故全桥工作时δb=1t
(2)副边匝数的计算
(3)原副边匝比的选取
变压器最小输入电压u1=500v，副边整流后最大输出电压u。=300v，设定最大占空比d=0.8，u2=u0/d，
得n1=13
(4)窗口利用率的计算
变压器输入电流i1=30a，输出电流i2=50a，均按照电流密度kj为2.5a/mm2设计;初级绕组截面积ar1=12mm2，次级绕组截面积ar2=20mm2窗口面积aw=50cm2。
窗口利用率：
由于开关频率不算太高，变压器的绕制采用多股漆包线并绕，外包抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸的方式，保证绝缘等级。
2 输出电感的设计
1)对输出滤波电感的磁芯主要要求有以下几点：
(1)温度系数小，滤波电感的电感量随时间的变化率应保持最小;
(2)线性度好，在不同的工作电流下电感量的变化小;
(3)滤波电感的电损耗和磁损耗低。
选用铁基超微晶c d型切口铁芯：jfq-078025015040，该磁芯的饱和磁感应强度bs=1.25t，剩余磁感应强度br
(1)匝数、气隙的计算
设定工作时，最大工作磁密bm=0.8t，及最大峰值电流i=60a，电感量l=0.15mh
电感定义式
上式中，ac是铁芯的有效截面积。
磁路欧姆定律
上式中，l0、lc是空气隙和铁芯的长度，μ0、μ。是空气和铁芯的磁导率。
由(5)式可得
由(9)式可求得气隙长度
(1)窗口利用率的计算
滤波电感通过的最大平均电流为50a，按照电流密度kj为2.5a/mm2设计，绕组截面积a，=20mm2;窗口面积aw=19.5cm2。
窗口利用率
3 饱和电感的设计
1)磁芯的选择
选用钴基非晶环形铁芯，该磁芯的饱和磁感应强度bs=0.53t，剩余磁感应强度br=0.5t，居里温度210℃，磁导率μ=90000。外形尺寸：外径42mm，内径29mm，厚l8mm。磁芯有效截面积ac=0.82cm2。
2)延迟开通时间的选择根据zcs的要求选择0.5μs
3)匝数的计算
根据
式中n为匝数，tb为延迟开通时间，bs为磁芯的饱和磁密，ac为磁芯的有效截面积，uls为加在饱和电感上的电压，约等于udc。算得n=3
4)窗口利用率的计算
饱和电感通过的最大平均电流为50a，按照电流密度kj为2.5a/mm2设计，绕组截面积ar=20mm2;窗口面积aw=6.6cm2。
窗口利用率
4 结束语
通过对高频电源模块的主要磁性元件的优化设计，并应用在高频电源的生产中，很好的解决了磁性元件的损耗和发热的问题，对高频电源的稳定性有了进一步的提高。
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1 主变压器的设计
对于高频开关电源的主要发热元件，主变压器的设计尤其重要，其尺寸的大小和材料的选择更是重要。
1)主变压器的磁芯必须具备以下几个特点
(1)低损耗;
(2)高的饱和磁感应强度且温度系数小;
(3)宽工作温度范围;
(4)μ值随b值变化小;
(5)与所选用功率器件开关速度相应的频响。
早前高频变压器一般选用铁氧体磁芯，下面对vitroperm500f铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的n67系列铁氧体磁芯的性能进行较，见图l。
从以上图表可以看出两者有以下区别：
(1)相同工作频率(200khz以下)，非晶材料损耗明显低于铁氧体，工作频率越低，工作b值越高，非晶材料优势越明显。但在250khz以上频段，铁氧体损耗要明显低于非晶材料。
(2)非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器热设计的难度。
(3)非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器设计的难度，提高了电源运行的稳定性和可靠性。
(4)非晶材料bs·μ值是铁氧体的10～15倍，意味着变压器体积重量可以大幅减小。
变压器设计过程中，最困难的是热设计，变压器的产热与多方面的因素有关，如磁芯损耗，铜损等。开关频率增加，变压器的发热呈指数增加。若采用铁氧体磁芯，由于铁氧体的居里点较低，需对变压器磁芯作散热处理，工艺制作比较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。若采用非晶做变压器，将工作δb由4000高斯提高到100007葛斯，开关器件的工作频率则可以降到100khz以下。非晶材料在16～100khz频率范围内，损耗/bs值最低，相应的变压器匝数及体积最小，发热量也较小，对提高整机效率，减小模块电源的体积有巨大帮助。在采用软开关控制技术的前提下，可以充分发挥igbt的低导通压降，大电流，高耐压的优点，大幅度地提高电源的可靠性。
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由(5)式可得
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2)延迟开通时间的选择根据zcs的要求选择0.5μs
3)匝数的计算
根据
式中n为匝数，tb为延迟开通时间，bs为磁芯的饱和磁密，ac为磁芯的有效截面积，uls为加在饱和电感上的电压，约等于udc。算得n=3
4)窗口利用率的计算
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窗口利用率
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