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磁集成技术在移相式软开关中的运用

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  • 更新日期:2012-09-05 07:42
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详细介绍
运用磁集成技术;能够实现高频变压器与谐振电感集成。通过调整辅助绕组匝数和磁芯中气隙,使高频变压器集成电感量满足谐振电感量要求。从而解决了固定结构漏感不可调问题,实现变压器与谐振电感集成化。提高了电源功率密度,减少磁芯元件体积。

摘要:  运用磁集成技术;能够实现高频变压器与谐振电感集成。通过调整辅助绕组匝数和磁芯中气隙,使高频变压器集成电感量满足谐振电感量要求。从而解决了固定结构漏感不可调问题,实现变压器与谐振电感集成化。提高了电源功率密度,减少磁芯元件体积。

关键字:  磁集成高频变压器漏感谐振电感软开关

1 引言
移相控制全桥软开关需谐振电感来实现桥臂零电压开通,谐振电感通常可采用外接谐振电感或利用高频变压器本身漏感。利用主变压器漏感做谐振电感的条件是谐振电感量较小,如谐振电感量较大时就需对主变压器进行特殊设计,增大主变压器漏感来满足谐振电感量要求。设计特殊结构主变压器虽然可以满足谐振频率要求,但由于主变压器结构固定导致漏感值无法改变。故无法调整谐振电感量。而利用磁集成技术把谐振电感与主变压器做为一体,可通过改变辅助绕组匝数和磁芯气隙实现电感量可调,可得到所需谐振电感量要求。采用集成技术将两个分立元件集成在一个磁件上,可省去一个谐振电感,体积大幅减少,提高了电源功率密度减少接线端子损耗。
2 磁路分析
图1为磁集成器件示意图,E型磁芯中柱分别绕有初级与次级线圈,初级绕组在旁柱上绕有辅助线圈。通过改变辅助绕组匝数和调整气隙可方便得到所需谐振电感值。根据如图2对等效磁路分析有:。因E型磁芯中柱面积为两侧柱面积之和,故,R1=R3=2R2。
以上式可推导得变压器三柱磁感应强度:
                           (1)
                            (2)

                           (3)
因为初级与辅助绕组串联故式中I1=I3。
当变压器空载时。此时变压器初级电流I1等于变压器励磁电流I1m,次级电流I2为零。可知磁芯三柱上空载Bi≈。
                      (4)
                                 (5)
                                 (6)
                                         (7)
                        (8)
当变压器负载时,图2中柱次级电流产生磁通与初级电流产生磁通相抵消,中柱叠加磁感应为零,而两边柱叠加磁感应强度BΔ相等。简化后如图3所示因此所得叠加磁感应强度BΔ为。
                            (9)
B2Δ= 0                                         (10)
变压器磁芯工作磁感应强度Bi=Bi≈+BiΔ,Bi必须小于磁芯饱和磁感应强度Bs。
3 集成电感计算
集成元件由于辅助绕组与次级不完全耦合,故漏感比一般线圈要大很多。
变压器输入能量Wm。
Wm=Wa+Wb+Wc+Wd                                (11)
式中Wa,Wb,Wc,Wd分别为初级线圈、次级线圈、初次级线圈和与辅助绕组所占空间存储的磁能。因为输入的漏感的能量应等于磁场的能量。
其中:                                 
                                  (12)
                               (13)
                              (14)
                              15)
                          (16)
式中lm为绕组匝长,hw为绕组高度,σ为绕组厚度。
           (17)
添加气隙后的漏感为:
            (18)
有公式(18)可知改变辅助绕组匝数N3和改变气隙lg就可实现漏感的微调。[#page#]
4 变压器变比计算
                              (19)
                                      (20)
∵                             
∴                     (21)
5 磁集成器件设计
输入电压:500V
宽度:20μs
输出功率:15kW;
输出电压:524V;
要求谐振电感Lr=10μh
变压器磁芯选用2副EE110磁芯,铁芯截面S2c=2×12.8。
1)变压器初级匝数设计:
取变压器初级匝数N1=17,取辅助绕组N3=2,把已知参数代入式(4)(5)(6)(7)(8)分别得三柱B1≈=970,B2≈=1090,B3≈=1210。取侧柱气隙lg=0.35mm,气隙面积Sg近似等于磁芯边柱面积。代入式(9)(10)得B1Δ=B3Δ=1076Gs,B2Δ=0三柱叠加后磁芯侧柱磁感应强度B1c=2046Gs、B2c=1090Gs、B3c=2286Gs,侧柱磁感应强度大于中柱磁感应强度。把已知参数代入式(21)可得次级匝数N2=20。
2)变压器集成电感设计:
变压器集成电感为主变压器漏感与辅助绕组电感之和。调整磁芯单边气隙l3g=0.35mm,辅助匝数取N3=2、初级匝数N1=17、绕组平均高度65mm、初级绕组厚度19mm、次级绕组厚度19mm、初次级绕组间厚度0.2mm、磁芯中柱面积25.6cm2、侧柱面积12.8cm2代入式(16)得:变压器漏感量Ls=10.68μh,满足谐振电感要求。实测集成电感11.8μh,调整气隙后满足谐振电感要求。
6 试验与结论
集成磁件加满功率1小时测试得,变压器磁芯中柱温度50℃,侧柱温度70℃。验证中柱磁感应强度大于中柱的磁感应强度。各项指标满足性能要求。集成磁件由于采用变压器与谐振电感集成技术,体积比分立元件较小,但由于集成磁件添加气隙,励磁电感减少,主变压器励磁电流增加,效率降低,在实际运用中由于变压器中柱叠加B2Δ=0,所以中柱气隙可以去掉,增加励磁电感,可提高效率。且由于零电压开关的实质就是利用谐振过程对并联电容充放电,励磁电流大可以缩短充电时间,减少死区时间,容易实现零电压开关。
参考文献
[1] 沈坚, 蒋云彬, 顾公兵. 软开关电源中一体化高频磁芯元件设计[J], 大比特资讯 2010.03
[2]  杨玉岗, 现代电力电子的磁技术[M]科学出版社2003 P209
[3]  陈乾宏,阮新波,严仰光. 开关电源中磁集成技术及其应用[J],电工技术学报2004.3 P1-8
[4] 开关电源变压器计算,SJ/Z2921-88, P6
[5] 王全保, 新编电子变压器手册[M], 辽宁科学技术出版社2007 P306-30
[6] 赵修科, 开关电源中磁性元器件[M], 沈阳, 辽宁科学技术出版社 2002年8月.
[7] 乔蕾, 刘永强. 磁集成技术及其在电力电子中的运用[J], 电力系统及其自动化学报 2005.6
作者简介
沈坚 男,1965年生,高级工程师。研究方向为雷达发射机特种磁性元件。
张磊 男,1982年生,工程师。研究方向为雷达发射机特种磁性元件。
徐国林 男,1975年生,高级工程师。现主要从事雷达发射机特种电源的研究工作。

 
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