電力直流系統中高頻開關電源磁性元件的優化設計

在電力直流系統中，由于普遍采用高頻模塊，關于高頻模塊的設計是功率越來越大，而體積卻是越來越小，這就對其設計提出了一個關鍵的問題，那就是要怎么樣處理磁性元件的損耗及發熱問題。

高頻開關電源中大量使用各種各樣的磁性元件，如輸入/輸出共模電感，功率變壓器，飽和電感以及各種差模電感。各種磁性元器件對磁性材料的要求各不相同，如差模電感希望μ值適中，但線性度好，不易飽和;共模電感則希望μ值要高，頻帶寬;功率變壓器則希望μ值要適中，溫度穩定好，剩磁小，損耗低等。在非晶材料出現往日，共模電感緊要采用高μ值(6K～10K)Mn-Zn合金，差模電感多采用鐵粉芯或開氣隙鐵氧體材料，變壓器則采用鐵氧體材料等。這些材料使用技術成熟，種類也很豐富，并有各種各樣的產品形狀供選擇。隨著非晶材料的出現和技術不斷成熟，在開關電源設計中，非晶材料表現出許多其它材料無法比擬的優勢。幾種常用磁性材料基本性能比較如表1。

1主變壓器的設計

關于高頻開關電源的緊要發熱元件，主變壓器的設計尤其緊要，其尺寸的大小和材料的選擇更是緊要。

1)主變壓器的磁芯非得具備以下幾個特點

(1)低損耗;

(2)高的飽和磁感應強度且溫度系數小;

(3)寬工作溫度范圍;

(4)μ值隨B值變化小;

(5)與所選用功率器件開關速度相應的頻響。

早前高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯，下面對VITROpERM500F鐵基超微晶磁芯與德國西門子公司加工的N67系列鐵氧體磁芯的性能進行較，見圖1。

從以上圖表可以看出兩者有以下差別：

(1)相同工作頻率(200kHz以下)，非晶材料損耗分明低于鐵氧體，工作頻率越低，工作B值越高，非晶材料優點越分明。但在250kHz以上頻段，鐵氧體損耗要分明低于非晶材料。

(2)非晶材料損耗隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器熱設計的難度。

(3)非晶材料導磁率隨溫度變化量大大低于鐵氧體，降低了變壓器設計的難度，提高了電源運行的穩定性和可靠性。

(4)非晶材料Bs·μ值是鐵氧體的10～15倍，意味著變壓器體積重量可以大幅減小。

變壓器設計過程中，最困難的是熱設計，變壓器的產熱與多方面的因素有關，如磁芯損耗，銅損等。開關頻率新增，變壓器的發熱呈指數新增。若采用鐵氧體磁芯，由于鐵氧體的居里點較低，需對變壓器磁芯作散熱解決，工藝制作比較復雜。若散熱解決不當，鐵氧體磁材高溫下易失磁，導致電路工作異常。若采用非晶做變壓器，將工作ΔB由4000高斯提高到100007葛斯，開關器件的工作頻率則可以降到100kHz以下。非晶材料在16～100kHz頻率范圍內，損耗/Bs值最低，相應的變壓器匝數及體積最小，發熱量也較小，對提高整機效率，減小模塊電源的體積有巨大幫助。在采用軟開關控制技術的前提下，可以充足發揮IGBT的低導通壓降，大電流，高耐壓的優勢，大幅度地提高電源的可靠性。

2磁芯的選擇

因為全橋變換器中的變壓器工作在雙端，對Br的要求不是很嚴格，它要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯，當電源功率較大時，容易出現飽和現象。為此，關于中、大功率的開關電源，主變壓器選用飽和磁感應強度Bs高、剩余磁感應強度B，低的磁芯。雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應強度Bs高，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低(50000，損耗p(0.5T、20kHz)

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