乱弹逆变变压器的设计

乱弹逆变变压器的设计 

乱弹逆变变压器的设计

这是一个伪命题也是一个真命题。说是伪命题，那是因为变压器设计理论是毋庸置疑的，轮不到我来胡说八道。说是真命题，那是因为翻遍变压器设计书籍，真是看不懂“逆变”变压器是如何设计的，所以胡说八道。

在《变压器与电感器设计手册》（第三版）（美。麦克莱曼著）第十四章“正激变换器及其变压器和输出电感器设计”中说：“推挽式变换器，全桥式变换器和半桥式变换器基本上都是正激变换器。”因此，这一类的逆变变压器就是按正激变换变压器设计的。在书中提供了一个单端正激变换变压器设计的例题。例题摘抄如下：

输入电压V_in(min)=22V;

输出电压V_o=5V;

输出电流I_o=5A；

频率     f=100KHz；

最大占空比D_max=0.5 ；

去磁匝数比=1，去磁功率P_demag=0.1P_in；

输出功率计算，P_o=I_o（V_o+V_d）=5*（5+1）=30W；

输入功率计算，P_o=1.1P/η=33.67W；

选取磁芯：EPC-30-----TDK—PC44；

一次绕组电流的有效值

=2.16A

一次绕组的电阻

R=0.019Ω

计算去磁绕组的电感

去磁绕组的电流变化量

A

计算去磁绕组电流的有效值（rms值）I_demag

A

 

单端正激变换器的简化模型实际就是最简单的含电阻的电感在开关控制下，对直流激励的响应。在100KHz频率工作时，开关导通时间是t_on=5us，关断时间是t_off=5us。

励磁绕组的电感没有计算，但励磁绕组和去磁绕组的匝数是一样的，所以励磁电感就等于去磁电感，即

L_m=L_demag=0.509(mH)

开关导通期间电感从零开始的电流能达到的最大值

上式中，τ——为电感的时间常数，τ=L/R=0.026789

所以 

这个电流和上述《变压器与电感器设计手册》中的例题中的去磁绕组的电流变化量基本上是同一个数量  0.217A，离一次绕组的电流有效值（2.16A）相差10倍，离其峰值更是20倍，真是不知这么大大电流是如何算出来的。不懂啊！

 

无独有偶。网上看到南华大学的一篇论文《ARC160逆变焊机设计》，其中有逆变焊机变压器的设计，其参数如下：

额定输入电压   AC220V  50/60Hz

输入功率       6.343   （KVA）

输入电流     31  （A）

输出         160A/26.5V

空载电压     67V

工作频率     f=35KHz

变比         n=5.3

铁心采用纳米铁基非晶

初级匝数  N₁=15匝；

次级匝数  N₂=3匝；

初级电感

励磁电流

 

以上为摘录论文内容。上述电路为全桥，工作频率f=35KHz，开关元件的导通时间为T_on=7.14us，关断时间T_off=7.14us，输入交流220V经整流，滤波输出的电压为310V，初级线圈的电阻估计为R=1Ω，则初级线圈的时间常数τ=L/R=0.02071/1=0.02071 s，在开关元件导通期间可以达到的电流峰值为

这个电流离一次电流31A真是太远了。要达到31A的平均电流，按锯齿波计算，峰值电流是76A，则时间常数应该为

即L₁=τR=25.38（uH）。

如此小的电感量，应该是只有空心变压器才能满足，但是空心变压器的电压变换、电流变换就不是如铁心变压器那样只由匝数比决定了。见书上还有66~140KHz的场效应管逆变焊机，其焊接电流为100A，就是不知它的变压器是如何做的，用何等材料，参数如何。

 

只有在LLC串联谐振变流器的设计文章中是以电感量为基础进行逆变变压器设计的，例如华中科技大学宫力的硕士学位论文中，

输入电压200~400V；

输出电压50V；

额定输出电流10A；

额定功率 500W；

谐振频率 f=200KHz；

变压器原边电感 L_m=106.6uH。

 

网上卖逆变焊机变压器的很多，其中EER43*15铁心的匝数比为15：7。我理解15：7是原副边线圈匝数比，查了一下铁氧体EER42/20的A_L=5340nH/N²，那么EER43*15应该不会低于5000nH/N²，其原边电感值应该在1.125mH左右。

 

上述《手册》中涉及的变压器应该是实实在在的在现实中有实际应用的，而且是大量的。非晶合金铁芯在逆变焊机变压器方面的应用也是客观存在。在变压器设计中只考虑法拉第定律，不考虑绕组的电感量，即使考虑也只是顺便带一下。但是在电路中，变压器除了能量传递的电压变换，电流变换和阻抗变换以外，对电路运行影响最大的参数就是电感量，在动态电路中电感量决定着动态电流和动态电压，而电压变换，电流变换和阻抗变换只由原，副线圈的几何参数决定。只要原、副线圈的匝数比确定，就确定了变压器的电压变换，电流变换和阻抗变换性能，而原边电感量的大小决定了原边线圈的电流和电压。所以，逆变变压器应该是以线圈电感量为基础进行设计的，满足了电感量，电压变换，电流变换和阻抗变换性能是很容易满足的。反过来，满足了电压变换，电流变换和阻抗变换性能，却不一定能满足电感量的要求，而不满足电感量的要求，肯定满足不了电路的设计需求。

那么，为什么上述这些并不满足设计要求的变压器却在现实中大量的得到应用，而且也没有见到任何资料披露有这些问题存在。上述电感量有问题的变压器明显是不满足电路设计要求的，然而能在实际中应用也肯定是有原因的。

在《变压器与电感器设计手册》（第三版）（美。麦克莱曼著）p205页中说：“钼坡莫合金粉末磁芯在其直流偏置0.3T下工作时，差不多仅有其原电感量80%。在更高磁通密度（偏置）的情况下，其电感量很快下降。…..铁合金在大于1.2T的情况下还能保持他们原电感量的90%。”

笔者在用“谐振法”测量电感器的电感量时，使用12V直流电，待测电感与定值电容串联，测量待测串联电路的响应曲线时，就碰到测量MnZn铁氧体铁心电感时，所测曲线计算的电感量只有用仪表（胜利牌电感表）测量值的百分之几。曾经百思不得其解，而且苦寻解决之法，最后在测到铁系铁心电感时才得到接近正确的曲线。在测到正确结果后对原因也不了解，直到读到《变压器与电感器设计手册》的上述电感量下降的叙述时才明白是怎么回事。

将在直流偏置下有磁芯电感器电感量大幅下降用来解释逆变变压器电感量并不影响应用就是合理的原因，由于磁芯在直流偏置下，电感量只有用测量仪表测量的百分之几，所以该变压器仍能达到预期的电流参数。

非晶合金在直流偏置下，电感量下降并不多，为何也能应用在逆变焊机上呢？答案是，非晶合金的矩形磁滞回线决定了它非常容易饱和（和纯铁相比），铁心一饱和，电感器就等于空心电感器，其电感量下降上千倍，其电流会增大到危险的程度。另外，铁心一旦饱和，其能量传递特性和正常时（未饱和时）是相反的。

 

在电磁学中电感量的计算公式为

其中：μ=μ₀μ_e=B/H——这是磁心材料的磁导率，从公式可看出磁心磁导率与磁感应强度和磁场强度的比值有关，而这两个参数都是与电流参量有关的非线性量，所以μ也是与电流参量有关的非线性参量。由于磁心磁导率并不是常数，仪表测量只能测量有磁心电感的某个点的电感量——静态电感量，而除了空心电感外，由于磁心磁导率的非线性，其电感量必然是非线性的随电流参量而变化的参量，因此其电感量应该由其在电路中的响应来判定，也就是说这个动态的电感量要由电路拓扑和电路参量来确定。在计算软件ANSYS的电磁模块中，要计算电感参数必须先定义线圈的“名义电流”。

说了一半天，回到主题还是不知道这“逆变变压器”如何设计，只能是“摸着石头过河”——根据经验估算，然后用实践检验是否合适。

 

写完本文，不知所云，茫然。突然觉得自己像皇帝新衣中的小屁孩。

计算公式粘贴不上，欲看公式，请下载题头word文件。