电力直流系统中高频开关电源磁性元件的优化设计

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(<15kHz)，频率高时，损耗增加。考虑到本课题中的开关频率为20kHz，故决定使用铁基超微晶中低剩磁的磁芯。

选用铁基超微晶环形铁芯：ONL—1308040，该磁芯的饱和磁感应强度Bs=1.25T，剩余磁感应强度Br<0.2T，居里温度5 lO℃，初始磁导率μi>30000，最大磁导率μm>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

2)磁芯的选择

(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

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