1、概述

　　图1是传统的逆变器框图。其缺点是采用了笨重庞大的工频变压器和滤波电感，导致效率低，噪音大，可靠性差。另外，谐波含量大，波形畸变严重，与要求的优质正弦波相差甚远。　　

　　图2所示为电压源高频链逆变器的框图，该方案是当今研究的最先进方案，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的优点，诸如，以小型的高频变压器替代工频变压器;只有两级功率变换;正弦波质量高;控制灵活等。高频变压器是高频链的核心部件，肩负着隔离和传输功率的重任，其性能好坏直接决定逆变器的性能好坏。不合格的变压器温升高，效率低，漏感严重，输出波形畸变大，直接影响电路的稳定性和可靠性，甚至损坏开关器件，导致实验失败。　　

　　2、高频变压器的设计

　　设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。各种磁芯物理性能及价格比如表1所列。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比较小，常使用在开关电源中。本文采用的就是铁氧体材料。

　　表1 各种磁芯特性比较表　　

　　高频变压器的设计通常采用两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP(AP=AW×Ae，称磁芯面积乘积)，根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号;第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。博众达小编跟大家详细讨论如何用AP法设计高频变压器。

　　原边NP匝，副边Ns匝的变压器，在NP匝上以电压V1开关工作时，根据法拉第定律，有

　　V1=KffsNPBWAe(1)

　　式中：Kf为波形系数，即有效值和平均值之比，正弦波为4.44，方波为4;

　　fs为工作频率;

　　BW为工作磁通密度。

　　NP=　　

　　(2)

　　铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数Ko(一般取0.4)为有效面积，该面积为原边绕组NP占据的窗口面积NPAP′与副边绕组Ns占据的窗口面积NsAs′之和，即

　　KoAW=NPAP′+NsAs′(3)

　　式中：AP′及As′分别为原、副边绕组每匝的截面积。

　　每匝所占用面积与流过该匝的电流值I和电流密度J有关，如式(4)所示。

　　AP′=　　

　　As′=　　

　　(4)

　　将式(4)代入式(3)，则得

　　KoAW=

　　+

　　即 AWAe=　　

　　(5)

　　电流密度J直接影响到温升，亦影响到AWAe，其关系可用式(6)表示。

　　J=KJ(AWAe)X(6)

　　式中：KJ为电流密度系数;X为常数，由所用磁芯确定。

　　若变压器的视在功率PT=V1I1+V2I2，则

　　AWAe=　　

　　即 AP=　　

　　(7)

　　式中：AP单位为cm4，其余的单位为国际单位制。

　　视在功率随线路结构不同而不同。如图3所示。变压器效率为η，则在图3(a)中

　　PT=Po+Pi=Po+　　

　　=Po

　　在图3(b)中

　　PT=Po　　

　　在图3(c)中

　　PT=Po　　

　　采用图3(b)的结构，VDC=24V，Po=250W，设η=0.95，则

　　PT=Po　　

　　≈617W　　

　　若采用E型磁芯，允许温升25℃，则有KJ=323，X=-0.14。饱和磁密约为0.35T，考虑到高温时饱和磁密会下降，同时，为了防止合闸瞬间高频变压器饱和，取饱和磁密的1/3为变压器的工作磁密，即BW=0.117T。工作频率为20kHz，由式(7)可得

　　AP=　　

　　≈6.65(cm4)

　　取10%的裕度，即AP=6.65×(1+10%)≈7.28cm4，查手册选取E17铁氧体磁芯，其AW=2.56cm2，Ae=3.80cm2，AP=9.73cm4，满足要求。

　　确定磁芯材料后，则其他参数计算如下：

　　1)原边绕组匝数NP

　　NP=　　

　　≈7匝;

　　2)原边电流IP

　　IP=　　

　　≈10.96A;

　　3)电流密度J

　　J=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2;

　　4)原边绕组裸线面积AXP

　　AXP=　

　　≈0.04666cm2;

　　5)副边绕组匝数Ns 逆变器工作时占空比D=0.75，幅值为　　

　　220V，则

　　Ns=　　

　　=120.99≈121匝

　　6)副边绕组裸线面积AXS 注意中间抽头变压器Io须乘0.707的校正系数，则

　　AXS

　　=0.00342cm2。

　　3、实验结果

　　实验采用图3(b)的结构，参数如下：

　　输入电压 DC24V;

　　开关频率 20kHz;

　　占空比 D=0.75;

　　输出电压 AC220V;

　　输出功率 250W;

　　输出频率 50Hz;

　　变压器磁芯 E17铁氧体磁芯;

　　原边绕组匝数 7匝;

　　副边绕组匝数 121匝。

　　该高频链工作稳定可靠，噪声很小，实验结果证明该高频变压器满足实际要求。

　　1)设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。

　　2)在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。

　　3)本文采用的工作频率为20kHz，由于工作频率较高，趋肤效应影响比较大，因此，在设计时应注意趋肤效应引起的有效面积的减少。