畢業(yè)設計--開關電源的高頻變壓器設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　開關電源的高頻變壓器設計</p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學 生 </p>&l

2、t;p>　　班 號 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指 導 教 師 　 </p><p>　　答 辯 日 期 　　　 </p&

3、gt;<p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電源技術的不斷發(fā)展，高頻化和高功率密度化已經成為開關電源的研究方向和發(fā)展趨勢，變壓器是開關電源的核心部件，并且隨著頻率和功率的不斷提高，其對電源系統(tǒng)的性能產生影響也日益重要，因此高頻開關電源的變壓器設計是實現開關電源發(fā)展目標的關鍵。</p&

4、gt;<p>　　本文主要研究高頻變壓器的工作原理，作用和分類。高頻變壓器和低頻變壓器的工作原理一樣，就是頻率不同所用的鐵芯材料不同，低頻變壓器一般用鐵芯，高頻變壓器用鐵氧體磁芯或空芯。變壓器的工作原理是用電磁感應原理工作的。常見的帶隔離開關電源按按電路的拓撲結構：正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋式，本人簡單介紹其工作原理，了解變壓器在開關電源中的作用。變壓器設計其實就是實現開關電源發(fā)展目標的關鍵，高頻變壓器的設計要求

5、包括:使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。</p><p>　　關鍵詞：開關電源；高頻變壓器；設計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the continuous development of power technology, high-frequency and high power d

6、ensity switching power supply technology has become the research and development trend, switching power supply transformer is the core component, and with increasing frequency and power, its power supply system increasin

7、gly important impact on performance, so high-frequency switching power supply switching power supply transformer design is to achieve development goals. </p><p>　　This paper studies the working principle of

8、high-frequency transformer, function and classification. With the isolation of several commonly used in switching power supply transformer switch roles and work. And design a 30KHZ frequency switching power supply transf

9、ormers.</p><p>　　Key words: switching power; supply design of high-frequency; transformer</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　Ab

10、stractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　緒 論1</b></p><p>　　第1章 高頻變壓器概述2</p><p>　　1.1高頻變壓器的工作原理2</p><p>　　1.2高頻變壓器的分類2</

11、p><p>　　1.3高頻變壓器與普通變壓器的區(qū)別2</p><p>　　第2章 常用帶隔離開關電源變壓器的電路原理4</p><p><b>　　2.1正激電路4</b></p><p>　　2. 2反激電路6</p><p><b>　　2.3半橋電路7</b>&l

12、t;/p><p>　　2. 4全橋電路8</p><p><b>　　2.5推挽電路9</b></p><p>　　第3章 開關電源的高頻變壓器設計思路10</p><p>　　3.1高頻變壓器的設計原則與設計要求10</p><p>　　3.1.1 高頻變壓器的設計原則10</p&g

13、t;<p>　　3.1.2高頻變壓器的設計要求10</p><p>　　3.2高頻變壓器的設計程序11</p><p>　　3.2.1磁芯材料的選擇11</p><p>　　3.2.2磁芯結構的選擇11</p><p>　　3.2.3磁芯參數ΔB的選擇12</p><p>　　3.2.4線圈參數

14、的計算與選擇12</p><p>　　3.2.5組裝結構的選擇12</p><p>　　3.2.6工作點的確定13</p><p>　　3.2.7 變壓器磁芯的計算方法13</p><p>　　3.3高頻變壓器的設計過程13</p><p>　　第4章30KHZ高頻開關電源變壓器設計14</p>

15、<p>　　4.1 變壓器的性能指標14</p><p>　　4.2變壓器磁心的選擇與工作點確定14</p><p>　　4.3 變壓器主要參數的計算14</p><p>　　4.3.1 變壓器的計算功率14</p><p>　　4.3.2 變壓器的設計輸出能力15</p><p>　　4.3.

16、3 變壓器的實際輸出能力15</p><p>　　4.3.4 繞組計算15</p><p>　　4.3.5 導線線徑15</p><p>　　4.4 線圈繞制與絕緣16</p><p>　　4.5 效果檢測16</p><p><b>　　結 論17</b></p>&l

17、t;p><b>　　致謝18</b></p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　附錄20</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　隨著電子信息技術的不斷發(fā)展，各類電子設備的電源

18、系統(tǒng)在客觀上要求小化、輕量化和高可靠性，制約這個目標實現的根本技術就是開關電源高頻化技術。開關電源變壓器是開關電源的核心部件，是實現能量(功率)轉換和傳輸的主要器件同時該器件又是開關電源體積和重量的主要占有者和發(fā)熱源。因此，要實現開電源的小型輕量化、平面智能化和高可靠性的目標，關鍵在于開關電源變壓器的高頻化。 </p><p>　　薄膜磁芯和磁性材料是現在高頻電子變壓器最活躍的發(fā)展方向之一，將成為MHz以上高頻電

19、子變壓器的主要磁芯材料和結構，當薄膜電子變壓器的高度做到1mm以下時，就可以裝入各種卡片內。隨著高頻變壓器整體結構的發(fā)展，線圈結構主要發(fā)展方向:平面線圈→片式線圈→薄膜線圈，其中又包括多層結構。對于立體結構的高頻變壓器線圈，考慮集膚效應和鄰近效應，導線材料采用多股絞線(里茲線),有時也采用扁銅線和銅帶，絕緣材料采用耐熱等級高的材料，采用雙層和三層絕緣導線，以減少線圈尺寸。對于平面結構線圈，導線采用銅箔，大多數采用單層和多層印刷電路板制造

20、，也有采用一定形狀的銅箔多個折疊而成，絕緣材料一般采用B級材料。對于薄膜結構線圈，導線采用銅、銀和金薄膜,制成梳形、螺旋形和運動場形等圖形，絕緣材料采用H級和C級材料?？傊?，薄膜變壓器是現在正在大力開發(fā)的高頻電子變壓器。</p><p>　　第1章 高頻變壓器概述</p><p>　　1.1高頻變壓器的工作原理</p><p>　　高頻變壓器和低頻變壓器的工作原理一

21、樣，就是頻率不同所用的鐵芯材料不同，低頻變壓器一般用鐵芯，高頻變壓器用鐵氧體磁芯或空芯。</p><p>　　變壓器的工作原理是用電磁感應原理工作的。變壓器有兩組線圈。初級線圈和次級線圈，次級線圈在初級線圈外邊。當初級線圈通上交流電時，變壓器鐵芯產生交變磁場，次級線圈就產生感應電動勢。變壓器的線圈的匝數比等于電壓比。例如：初級線圈是500匝，次級線圈是250匝，初級通上220V交流電，次級電壓就是110V。變壓器

22、能降壓也能升壓。如果初級線圈比次級線圈圈數少就是升壓變壓器,可將低電壓升為高電壓。 </p><p>　　1.2高頻變壓器的分類</p><p>　　高頻變壓器是相對于音頻和工頻變壓器而言的。但是，由于高頻的范圍太廣，要明確的劃分是困難的。因此，我們可將工作頻率在音頻以上的變壓器統(tǒng)稱為高頻變壓器。應該說，這種叫法是不嚴格的。為此，根據其工作頻率，我們將高頻變壓器分為以下幾類；</p&

23、gt;<p><b>　　按頻率范圍分為：</b></p><p>　　a. kHz級高頻變壓器，它是指工作頻率在20kHz至幾百kHz的高頻變壓器；</p><p>　　b. MHz級高頻變壓器，它是指工作頻率在1MHz以上的高頻變壓器。</p><p><b>　　按工作頻帶分為：</b></p&g

24、t;<p>　　a. 單頻或窄頻級高頻變壓器，它是指工作頻率為單頻或是一個很窄的頻段，如變換器變壓器、振蕩器變壓器等；</p><p>　　b. 寬頻帶變壓器，它是指工作在一個很寬頻率范圍內的變壓器，如阻抗變換器變壓器、通訊變壓器、寬帶功率放大器變壓器等。</p><p>　　在傳統(tǒng)的高頻變壓器設計中，由于磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術的不

25、斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化、高頻化和大功率化已成為一個永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積、提高電源輸出功率比的關鍵因素。 </p><p>　　1.3高頻變壓器與普通變壓器的區(qū)別</p><p>　　第一，電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級繞組中電流都是非正弦波。</p><p>　　第二，變壓器的工作頻率比較高，通常都

26、在幾十赫茲，甚至高達幾十萬赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時必須考慮能滿足高頻工作的需要及鐵芯中有高次諧波的影響。</p><p>　　第三，繞組線路比較復雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級繞組的尺寸，增大了變壓器的體積和重量，而且使繞組在鐵芯窗口中的分布關系發(fā)生變化。</p><p>　　高頻變壓器是制作開關電源的重要工作，也是設計與制作過程中消耗大量時間和主要精力的工作。變壓器做得好，整

27、個設計與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會出現停振、嘯叫或輸出電壓不穩(wěn)、負載能力不高等現象。在變壓器的溫升<35℃，繞制良好的脈沖變壓器的工作效率可達到90%以上，且波形質量優(yōu)異，電性能參數穩(wěn)定。在100kHz的使用條件下，脈沖變壓器的體積可以大大減小。繞制變壓器時，要盡最大的努力保證以下幾點：第一，即使輸入電壓最大，主開關器件導通時間最長，也不至于使變壓器的磁芯飽和；第二，初級線圈與次級線圈的耦合要好，漏電感要?。坏?/p>

28、三，高頻開關變壓器會因集膚效應導致電線的電阻值增大，因而要減小電流密度。通常，工作時的最大磁通密度取決于次級線圈。第四，一般來說，采用鐵氧體磁芯E128時，要把Bm控制在3kGs以下。</p><p>　　第2章 常用帶隔離開關電源變壓器的電路原理</p><p>　　廣義地說，凡是采用半導體功率開關器件作為開關管，通過對開關管的高頻開通與關斷控制，將一種電能形態(tài)轉換成為另一種電能形態(tài)的裝

29、置，叫做開關轉換器。以開關轉換器為主要組成部分，用閉環(huán)自動控制來穩(wěn)定輸出電壓，并在電路中加入保護環(huán)節(jié)的電源，叫做開關電源(Switching POWER Supply)。如果用高頻DC／DC轉換器作為開關電源的開關轉換器時，就稱為高頻開關電源。高頻開關電源的基本電路由“交流一直流轉換電路”、“開關型功率變換器”、“整流濾波電路”和“控制電路”等組成。高頻開關電源的分類方式有多種：</p><p>　　(1)按DC

30、／DC轉換器的開關條件，可分為硬開關(HardSwitching)和軟開關(Soft SWI TCHING)兩種。</p><p>　　(2)按驅動方式，可分為自激式和他激式。</p><p>　　(3)按輸入與輸出之間是否有電氣隔離，可分為隔離式和非隔離式。</p><p>　　(4)按電路的拓撲結構：①隔離式有正激式、反激式、推挽式、半橋式</p>

31、<p>　　和全橋式：②非隔離式有降壓型、升壓型和升降壓型等。</p><p><b>　　2.1正激電路 </b></p><p><b>　　圖2-1正激電路</b></p><p><b>　　電路的工作過程: </b></p><p>　　1、開關S開通后,

32、變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負,與其耦合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長；</p><p>　　2、S關斷后，電感L通過VD2續(xù)流,VD1關斷。S關斷后變壓器的激磁電流經N3繞組和VD3流回電源，所以S關斷后承受的電壓為Ø。</p><p>　　變壓器的磁心復位:開關S開通后,變壓器的激磁電流由零開始，隨著時間的增加而線

33、性的增長，直到S關斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S關斷后到下一次再開通的一段時間內降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復位，正激電路的理想化波形: </p><p>　　圖2-2 正激電路的理想化波形</p><p>　　變壓器的磁心復位時間為: TIST=N3*Ton/N1</p><p>　　輸出電壓:輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下:&

34、#160;UO/UI=N2*Ton/N1*T</p><p><b>　　磁心復位過程: </b></p><p>　　圖2-3 磁心復位過程</p><p><b>　　2. 2反激電路 </b></p><p><b>　　圖2-4反激電路</b></p>&

35、lt;p>　　反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用,可以看作是一對相互耦合的電感。工作過程:</p><p>　　S開通后,VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線性增長,電感儲能增加； S關斷后,N1繞組的電流被切斷,變壓器中的磁場能量通過N2繞組和VD向輸出端釋放。S關斷后的電壓為:us=Ui+N1*Uo/N2</p><p>　　反激電路的工作模式: </p><

36、p>　　電流連續(xù)模式:當S開通時,N2繞組中的電流尚未下降到零。 輸出電壓關系:U0/UI=N2*ton/N1*TOFF</p><p>　　電流斷續(xù)模式:S開通前,N2繞組中的電流已經下降到零。 輸出電壓高于上式的計算值,并隨負載減小而升高,在負載為零的極限情況下,因此反激電路不應工作于負載開路狀態(tài)。</p><p>　　反激電路的理想化波形：</p><p&g

37、t;　　圖2-5　反激電路波形</p><p><b>　　2.3半橋電路</b></p><p><b>　　圖2-6半橋電路</b></p><p><b>　　工作過程: </b></p><p>　　S1與S2導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關的

38、占空比就可以改變二次側整流電壓UD的平均值,也就改變了輸出電壓U0； S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài), 當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流；S1或S2導通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時,電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為UI。 由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分

39、量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。半橋電路的理想化波形:</p><p>　　圖2-7　半橋電路波形</p><p><b>　　2. 4全橋電路</b></p><p><b>　　全橋電路原理圖</b></p><p><b>　　圖2-8全橋電路</b&

40、gt;</p><p>　　工作過程: 全橋逆變電路中，互為對角的兩個開關同時導通，同一側半橋上下兩開關交替導通，使變壓器一次側形成幅值為UI的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。全橋電路的理想化波形：</p><p>　　圖2-9　全橋電路波形</p><p><b>　　2.5推挽電路 </b></p><p>

41、<b>　　圖2-10推挽電路</b></p><p><b>　　工作過程:</b></p><p>　　推挽電路中兩個開關S1和S2交替導通，在繞組N1和N’1兩端分別形成相位相反的交流電壓，,改變占空比就可以改變輸出電壓。</p><p>　　S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。</p>

42、;<p>　　S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L的電流也逐漸上升。</p><p>　　當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍UI。</p><p>　　S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個開關同時導通。</p><p>　　第3章 開關電源的高頻變壓器設計

43、思路</p><p>　　3.1高頻變壓器的設計原則與設計要求</p><p>　　3.1.1 高頻變壓器的設計原則</p><p>　　高頻變壓器作為一種產品，與其他商品一樣，設計原則是在具體使用條件下完成具體功能中追求性能價格比最好。產品雖然性能好，但如果價格不能為市場接受也會遭冷落和淘汰?，F在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強調降低成本。其中成為一

44、大難點的高頻電源變壓器，更需要在這方面下功夫。所以高頻電源變壓器的“設計要點”，性能，成本，如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則，追求更好的性能價格比，傳送不到10VA的單片開關電源高頻變壓器，應當設計出更輕、薄、短、小的方案來。市場的價值規(guī)律是無情的！許多性能好的產品，往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產品最后被成本否決。要“節(jié)能又節(jié)錢”。產品成本，不但包括材料成本，生產成本，還包括研發(fā)成本，設計成本。因此，為

45、了節(jié)約時間，根據經驗，對高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數據，對窗口填充程度，繞組導線和結構推薦一些方案，不要按步就班地來回進行推算和仿真。設計原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產品能否實應住市場。高頻電源變壓器的</p><p>　　3.1.2高頻變壓器的設計要求</p><p

46、>　　以設計原則為出發(fā)點，高頻變壓器的設計要求包括:使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。使用條件包括兩方面內容:可靠性和電磁兼容性?？煽啃允侵冈诰唧w的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。高頻變壓器產生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮,高頻變壓器產生電磁干擾的原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。高頻電源變壓器完成功能有三個

47、:功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。加在原繞組上的電壓，在磁芯中產生磁通變化，使副繞組感應電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊；電壓變換是通過原邊和副邊繞組匝數比來完成；絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結構來完成。提高效率是對電源和電子設備的普遍要求,也是高頻變壓器的一個設計要求，一般效率要提高到95%以上。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗(鐵損)和繞組損耗(銅損),變壓器的鐵損和銅損的比例隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化。一般在50Hz工頻下，銅損

48、遠遠超過鐵損，隨著工作頻率升高，銅損下降，而鐵損隨著工作頻率升高而迅速增大，鐵損是高頻電源變壓器損耗的主要部分，因此工作。 根據鐵損</p><p>　　3.2高頻變壓器的設計程序 </p><p>　　高頻變壓器的設計程序包括:磁芯材料的選擇，磁芯結構的選擇，磁芯參數的設計，線圈參數的設計，組裝結構的選擇和溫升校核等內容。</p><p&

49、gt;　　3.2.1磁芯材料的選擇</p><p>　　設計高頻變壓器，選擇軟磁材料是關鍵的第一步。高頻變壓器磁芯一般使用軟磁材料。軟磁材料有較高磁導率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導率高，在一定線圈匝數時，通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應強度，線圈就能承受較高的外加電壓，因此在輸出功率一定的情況下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯回環(huán)面積小，則鐵耗也少。電阻率高則渦流小，鐵耗也小。鐵氧體材料是復合氧化物燒結

50、體，和其它軟磁磁芯材料一樣，軟磁鐵氧體的優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小,價格便宜，易加工成各種形狀的磁芯，缺點是工作磁通密度低、磁導率不高、磁致伸縮大、對溫度變化比較敏感。它適合高頻下使用，因此高頻變壓器一般采用鐵氧體材料作為磁芯。 </p><p>　　3.2.2磁芯結構的選擇</p><p>　　磁芯基本結構有:①疊片，通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E、I、F、O等形狀，疊成一個鐵芯。②環(huán)

51、形鐵芯，由O型薄片疊成,也可由窄長的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成。③C形鐵芯，此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點，由二個C型鐵芯對接而成。④罐形鐵芯，它是磁芯在外，銅線圈在里，免去環(huán)形線圈不便的一種結構形式，可以減少EMI。缺點是內部線圈散熱不良，溫升較高。高頻變壓器設計時選擇磁芯結構應考慮的因素:降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配接線方便等。在高頻變壓器磁芯結構設計中，對窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來

52、決定。為了防止高頻電源變壓器從里向外和從外向里的電磁干擾，有些磁芯結構在窗口外面有封閉和半封閉外殼。封閉外殼屏蔽電磁干擾作用好，但散熱和接線不方便，必須留有接線孔和出氣孔。半封閉外殼，封閉的地方起屏蔽電磁干擾作用，不封閉的地方用于接線和散熱。如果窗口完全開放，接線和散熱方便，屏蔽電磁干擾作用差。</p><p>　　3.2.3磁芯參數ΔB的選擇</p><p>　　高頻變壓器磁芯參數選擇時

53、，必須注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時還與功率傳送的工作方式有關。對于磁通單方向變化的工作模式:ΔB既受飽和磁通密度限制，又受損耗限制。對于磁通雙方向變化的工作模式:工作磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多，損耗也大得多，ΔB主要受損耗限制，而且還要注意出現的直流偏磁問題。對電感器功率傳送方式，磁導率是有氣隙后的等值磁導率，一般都比磁化曲線測出的磁導率小。</p><p>　　3.2.4

54、線圈參數的計算與選擇</p><p>　　高頻變壓器的線圈參數包括:匝數、導線截面(直徑)、導線形式、繞組排列和絕緣安排。原繞組匝數根據外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定，匝數不能過多也不能過少。如果匝數過多，會增加漏感和繞線工時；如果匝數過少，在外加激磁電壓比較高時，有可能使匝間電壓降和層間電壓降增大，而必須加強絕緣。副繞組匝數由輸出電壓決定。導線截面(直徑)決定于繞組的電流密度。還要注意的是導線

55、截面(直徑)的大小還與漏感有關。高頻變壓器的繞組排列形式有:①如果原繞組電壓高,副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排；②如果要增加原和副繞組之間耦合，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的繞組排列形式，這樣有利于減少漏感。另外，當原繞組為高壓繞組時，匝數不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。對于絕緣安排，

56、首先要注意使用的電磁線和絕緣件的絕緣材料等級要與磁芯和繞組允許的工作溫度相匹配。等級低，滿足不了耐熱要求，等級過高，會增加不必要的材料成本。其次,對在圓柱形磁路上繞線的線圈，最好采用線圈</p><p>　　3.2.5組裝結構的選擇</p><p>　　高頻變壓器組裝結構分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結構，上下表面比較大，有利于散熱；其它的都采用立

57、式結構。另外，組裝結構中采用的夾件和接線端子等盡量采用標準件,以便于外協(xié)加工，降低成本。 </p><p>　　3.2.6工作點的確定</p><p>　　對于新買來的磁芯，由于廠家提供的磁感應強度值并不準確，一般先要粗略測試它，具體方法:將調壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形，將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發(fā)生奇變，此時磁芯已飽和，根據公式:U=4.

58、44fN1Φm可推知在ΦM值。</p><p>　　3.2.7 變壓器磁芯的計算方法</p><p>　　高頻變壓器鐵芯的設計方法有幾種，這里我們介紹一種AP法。主要過程:先是求出磁芯窗口面積Aw與磁芯有效截面積AE的乘積AP，再根據AP值,查表找出磁性材料的編號，然后選擇合適的鐵芯材料。</p><p>　　3.3高頻變壓器的設計過程</p><

59、;p>　　設變壓器的輸入電壓V1=24V,功率P0=250W,效率η=0.95，輸出電壓V2=220V，采用E型磁芯，允許溫升25℃，KJ=323, X=-0.14，飽和磁通密約為0.35T,考慮到高溫時飽和磁密會下降,同時為了防止合閘瞬間高頻變壓器飽和,取飽和磁密的1/3為變壓器的工作磁密，即BW=0.117T，設工作頻率為20kHz，由計算得AP=6.65×(1+10%)≈7.28cm4，取10%裕度后，AP=8.0

60、9 cm4,查設計手冊選取E17鐵氧體磁芯,那么其AW=2.56cm2，Ae=3.80cm2, AP=9.73cm4滿足要求。</p><p>　　高頻變壓器設計好后必須進行溫升校核，溫升校核可以通過計算和實物測試來進行。如果實物測試溫升不超過允許溫升就可以通過。如果試驗溫升低于允許溫升15℃以上，那么要對繞組的電流密度和導線截面進行調整，適當增加電流密度和減少導線截面。如果實物試驗溫升超過允許溫升，則要對繞組的

61、電流密度和導線截面進行調整，適當減少電流密度和增加導線截面。如果增加導線截面，導致窗口繞不下，要增加磁芯尺寸。如果實物試驗磁芯溫升超過允許溫升，則要增加磁芯的散熱面積，加大磁芯。</p><p>　　第4章30KHZ高頻開關電源變壓器設計</p><p>　　4.1 變壓器的性能指標</p><p>　　工作頻率 f：30kHz</p><p&g

62、t;　　變換器輸入電壓Ui:DC300V</p><p>　　變換器輸出電壓U0:DC2100V</p><p>　　變換器輸出電流Io:0.08A</p><p><b>　　整流電路：橋式整流</b></p><p>　　占空比D：1％～90％</p><p>　　輸出效率η:≥80％<

63、/p><p><b>　　耐壓：DC12kV</b></p><p><b>　　溫升：＋50℃</b></p><p>　　工作環(huán)境條件:－55℃～＋85 ℃</p><p>　　4.2變壓器磁心的選擇與工作點確定</p><p>　　從變壓器的性能指標要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼

64、、鐵氧體材料已很難滿足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設計要求。磁心的材料只有從坡莫合金、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金三種材料中來考慮，但坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價格高，約為超微晶合金的數倍，而飽和磁感應強度Bs卻為超微晶合金 2/3 左右，且加工工藝復雜。因此，綜合三種材料的性能比較，選擇飽和磁感應強度Bs高，溫度穩(wěn)定性好，價格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術指標的實現。</p><p>　　磁心工作點的選擇往

65、往從磁心的材料，變壓器的工作狀態(tài)，工作頻率，輸出功率，絕緣耐壓等因素來考慮。超微晶合金的飽和磁感應強度Bs較高約為1.2T，在雙極性開關電源變壓器的設計中，磁心的最大工作磁感應強度BM一般可取到0.6～0.7T，經特別處理的磁心，BM可達到 0.9T。在本設計中，由于工作頻率、絕緣耐壓、使用環(huán)境的原因，把最大工作磁感應強度BM定在0.6T，而磁心結構則定為不切口的矩形磁心。這種結構的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數影響小、磁

66、心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠、但電磁兼容性較差。</p><p>　　4.3 變壓器主要參數的計算</p><p>　　4.3.1 變壓器的計算功率</p><p>　　半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時，其開關電源變壓器的計算功率為：</p><p>　　Pt=UOIO(1＋1/η)(1)</p><p>

67、　　將UO=2100V，Io=0.08A，η=80％代入式（1），可得Pt=378W。</p><p>　　4.3.2 變壓器的設計輸出能力</p><p>　　變壓器的設計輸出能力為：</p><p>　　AP=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16（2）</p><p>　　式中：工作頻率f為30kHz，工作磁感應強度BM取

68、0.6T，磁心的窗口占空系數KW取0.2；</p><p>　　矩形磁心的電流密度（溫升為50℃時）KJ 取468。經計算，變壓器的設計輸出能力：</p><p>　　AP=0.511cm4。</p><p>　　4.3.3 變壓器的實際輸出能力</p><p>　　變壓器的輸出能力即磁心的輸出力，它取決于磁心面積的乘積（AP），其值等于磁心

69、有效截面積（AC）和它的窗口截面積（Am）的乘積，即：AP=ACAM(3)在變壓器的設計中，變壓器的輸出能力必須大于它的設計輸出能力。在設計中，我們選用的矩形磁心的尺寸為：10×10×39×13.4（即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），實際AP 達3.66cm4(其中磁心截面積的占空系數KC取0.7)，大于變壓器的設計輸出能力0.511cm4，因此，該磁心能夠滿足設計使用要求。

70、</p><p>　　4.3.4 繞組計算</p><p>　　初級匝數：D取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs,</p><p>　　忽略開關管壓降，Up1=Ui/2=150V。</p><p>　　N1=Up1Ton10－2/2BmAc=(150×16.67)10－2</p>

71、<p>　　/(2×0.6×1×1×0.7)=29.77 匝</p><p><b>　　取N1=30匝</b></p><p>　　次級匝數：忽略整流管壓降，Up2=UO=2100V。</p><p>　　N2=Up2N1/Up1=(30×2100)/150=420匝</p&

72、gt;<p>　　4.3.5 導線線徑</p><p>　　Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A</p><p>　　電流密度：J=KJAP－0.1410－2=468×0.511－0.14×10－2=5.14A/mm2</p><p>　　考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2&l

73、t;/p><p><b>　?。?）初級繞組：</b></p><p>　　計算導線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2</p><p>　　初級繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。</p><p><b>　　(2)次級繞組：</b></p&g

74、t;<p>　　計算導線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。</p><p>　　次級繞組的線徑可選d=0.16mm的圓銅線，其截面積為0.02mm2。為了方便線圈繞制也可選用線徑較粗的導線。</p><p>　　4.4 線圈繞制與絕緣</p><p>　　為減小分布參數的影響，初級采用雙腿并繞連接的結構，次級采用分段繞制，串聯(lián)相

75、接的方式，降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性，繞制后的線圈厚度約為4.5mm。小于磁心窗口寬度13.4mm的一半。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力。變壓器絕緣則采用整體灌注的方法來保證變壓器的絕緣使用要求。</p><p><b>　　4.5 效果檢測</b></p><p>　　該超微

76、晶開關電源變壓器，環(huán)氧灌注絕緣后通過了產品的電性能檢測和機載條件的環(huán)境試驗，已用于機載設備，變壓器的溫升<35℃，工作效率達到90％以上，且波形質量優(yōu)異，電性能參數穩(wěn)定。超微晶合金薄帶是新型的軟磁合金，電磁性能優(yōu)異，價格低廉，環(huán)境適應能力強，在高頻電磁元件領域具有廣闊的應用前景，特別是在陣面雷達系統(tǒng)中的電源、激勵變壓器、電感等。在100kHz的使用條件下，可以取代鐵氧體、坡莫合金用作磁心材料。</p><p&g

77、t;<b>　　結 論</b></p><p>　　本文主要研究開關電源的高頻變壓器，介紹了變壓器的原理和作用還有分類，研究了幾種常用的開關電源中的變壓器的作用及其工作原理，并通過設計30KHZ的高頻開關電源變壓器讓我認識到寫論文是一個不斷學習的過程，從最初剛寫論文時對變壓器設計的問題的模糊認識到最后能夠對該問題有深刻的認識，我體會到實踐對于學習的重要性，以前只是明白理論，沒有經過實踐考察，

78、對知識的理解不夠明確，通過這次的做，真正做到理論實踐相結合。</p><p>　　總之，通過畢業(yè)設計,我深刻體會到要做好一個完整的事情，需要有系統(tǒng)的思維方式和方法，對待要解決的問題，要耐心、要善于運用已有的資源來充實自己。同時我也深刻的認識到，在對待一個新事物時，一定要從整體考慮，完成一步之后再作下一步，這樣才能更加有效。</p><p><b>　　致謝</b>&l

79、t;/p><p>　　本次畢業(yè)設計為30KHZ開關電源的變壓器的設計。得到劉貴棟老師的細心指導，劉貴棟老師對工作認真負責，堪稱良師益友。在此，向劉貴棟老師表示最衷心的感謝和最誠摯的敬意。</p><p>　　同學之間相互指點，在一起討論問題，使我受益非淺。在此感謝幫助過我的同學，感謝學校給予我們良好的工作環(huán)境。</p><p>　　設計過程中所用到的工具書、參考資料等，

80、都是由學校圖書館提供，在此感謝學校圖書館所有工作人員的默默支持。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 汪嶺.DC/DC升壓變換器設計[D] .上海交通大學微電子學院，2007：6-9</p><p>　　[2] 劉鳳君.現代高頻開關電源技術及應用[M] .北京電子工業(yè)出版社，2007:11-15</p

81、><p>　　[3] 王保全.實用電子變壓器材料器件手冊[M] .遼寧科學技術出版社，</p><p>　　2003：38-43</p><p>　　[4]張忠仕.汪偉.陳文.李衛(wèi).開關電源變壓器磁芯氣隙量的計算[J] .磁性材料及器件.2008：53-56</p><p>　　[5] 尹克寧.變壓器設計原理[M] .北京.中國電力出版社，200

82、3：23-26</p><p>　　[6] 張植保.變壓器原理與應用[M] .北京.化學工業(yè)出版社，2007：11-15</p><p>　　[7] 丁道宏.電力電子技術.北京.航空工業(yè)出版社，1999：63-68</p><p>　　[8] Colonel WM.T. MCLYMAN龔紹文 譯. 變壓器與電感器設計手冊[M] .中國電力出版社，2008：28-32

83、</p><p>　　[9] 沙占友.文環(huán)明.DC/DC電源變換器的拓撲類型[J] .電源技術應用，2006：1-4</p><p>　　[10] 張占松.蔡宣三.開關電源的原理與設計.電子工業(yè)出版社，2008：9-10</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　高頻電源變壓器的設計原則</p&

84、gt;<p>　　高頻電源變壓器的設計原則，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重性能和效率，有時可能偏重價格和成本。現在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強調降低成本。其中成為一大難點的高頻電源變壓器，更需要在這方面下功夫。所以高頻電源變壓器的“設計要點”，性能，成本，如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則，追求更好的性能價格比，傳送不到10VA的單片開關電源高頻變壓器，應當設計

85、出更輕、薄、短、小的方案來。市場的價值規(guī)律是無情的！許多性能好的產品，往往由于價格不能為市場接受而遭冷落和淘汰。往往一種新產品最后被成本否決。要“節(jié)能又節(jié)錢”。產品成本，不但包括材料成本，生產成本，還包括研發(fā)成本，設計成本。因此，為了節(jié)約時間，根據經驗，對高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考數據，對窗口填充程度，繞組導線和結構推薦一些方案,不要按步就班地來回進行推算和仿真。設計原

86、則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產品能否實應住市場。高頻電源變壓器的設計要求，以設計原則為出發(fā)點，</p><p><b>　　1　使用條件</b></p><p>　　使用條件包括兩方面內容：可靠性和電磁兼容性?？煽啃允侵冈诰唧w的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對高頻電源變壓器影響

87、最大的是環(huán)境溫度。有些軟磁材料，居里點比較低，對溫度敏感。例如：錳鋅軟磁鐵氧體，居里點只有215℃，其磁通密度，磁導率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，故除正常溫度25℃外，還要給出60℃，80℃，100℃時的各種參考數據。因此，將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下，也就是環(huán)境溫度為40℃時，溫升只允許低于60℃，相當于A級絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件，一般都采用E級和B級絕緣材料，采用H級絕緣的三重絕緣電

88、磁線和聚酰胺薄膜，成本增加,是不是因為H級絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設計方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器，如次級繞組采用三重絕緣線，能把體積減小1/2～1/3。電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括音頻噪聲和高頻噪聲。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料</p>&

89、lt;p><b>　　2　完成功能</b></p><p>　　高頻電源變壓器完成功能有3個：功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式，加在原繞組上的電壓，在磁芯中產生磁通變化，使副繞組感應電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過程中，磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從最大值Bm變化到剩余磁通密

90、度Br，或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值ΔB=Bm－Br。為了提高ΔB，希望Bm大，Br小。雙方向變化工作模式磁通度從＋Bm變化到－Bm，或者從－Bm變化到＋Bm。磁通密度變化值ΔB=2Bm，為了提高ΔB，希望Bm大，但不要求Br小，不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式，變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導率有關。第二種是電感器功率傳送方式，原繞組輸入的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋恚缓笸ㄟ^去磁使副繞組感應電壓，變成

91、電能釋放給負載。傳送功率決定于電感磁芯儲能，而儲能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導率有關，磁導率高，電感量大，儲能多，而不直接與磁通密度有關。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數不一樣，但是在高頻電源變壓器設計中，磁芯的材料和參數的</p><p>　　絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結構來完成。為了保證繞組之間的絕緣，必須增加兩個繞組之間的距離，從而降低繞組間的耦合程度，使漏感增大。還有，原繞組一般為高壓繞

92、組，匝數不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。這樣，匝數有下限，使漏感也有下限。總之，在高頻電源變壓器絕緣結構和總體結構設計中，要統(tǒng)籌考慮漏感和絕緣強度問題。</p><p><b>　　3　提高效率</b></p><p>　　提高效率是對電源和電子設備的普遍要求。提高高頻電源變壓器效率，可以節(jié)約電力。又具有環(huán)境保護的雙重社會經濟效益。因此，提高效

93、率是高頻電源變壓器一個主要的設計要求，一般效率要提高到95％以上，損耗要減少到5％以下。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗（鐵損）和繞組損耗（銅損）。有人關心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個比例是隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化的。如果變壓器的外加電壓不變，工作頻率越低，繞組匝數越多，銅損越大。因此在50Hz工頻下，銅損遠遠超過鐵損。例如：50Hz，100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器，銅損為鐵損的5倍左右。50Hz，100kVASH11型三

94、相油浸式非晶合金電力變壓器，銅損為鐵損的20倍左右。隨著工作頻率升高，繞組匝數減少，雖然由于趨表效應和鄰近效應存在而使繞組損耗增加，但是總的趨勢是銅損隨著工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗，隨著工作頻率升高而迅速增大。在某一段工作頻率，有可能出現銅損和鐵損相等的情況，超過這一段工作頻率，鐵損就大于銅損。造成鐵損不等于銅損的原因.導線粗細的選擇，雖然受趨表效應影響，但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來決定，與工作頻率不存在直&

95、lt;/p><p>　　正因為鐵損是高頻電源變壓器損耗的主要部分，因此根據鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設計的一個主要內容。鐵損也成為評價軟磁芯材料的一個主要參數。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時，必須說明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下?lián)p耗。用符號表示時，也必須標明PB/f〔式中工作磁通密度B的單位是T（特斯拉），工作頻率f的單位是Hz（赫芝）〕。例如，P0.5/400表示工作

96、磁通密度為0.5T，工作頻率為400Hz時的損耗。又例如，P0.1/100k表示工作磁通密度為0.1T，工作頻率為100kHz時的損耗。鐵損還與工作溫度有關，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時，必須指明它的工作溫度，特別是軟磁鐵氧體材料，對溫度變化比較敏感，在產品說明書中都要列出25℃至100℃的鐵損。軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限，常常是鐵損限制了工作磁通密度的上限。所以，在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類標準中，

97、把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積B×f，作為材料的性能因子，并說明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類標準根據性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1，PW2，PW3</p><p><b>　　4　降低成本</b></p><p>　　降低成本是高頻電源變壓器的一個主要設計要求，有時甚至是決定性的要求。高頻電源變壓器作為一種產品，和其他商品一樣，都面臨著市場

98、競爭。競爭的內容包括性能和成本兩個方面，缺一不可。不注意降低成本，往往會在競爭中被淘汰。</p><p>　　高頻電源變壓器的成本包括材料成本，制造成本和管理成本。設計是高頻電源變壓器降低成本的主要手段。高頻電源變壓器所用的材料和零部件的價錢和數量的多少？是否方便采購？是否要備有多少庫存量？磁芯，線圈和總體結構的加工和裝配工藝復雜還是簡單？需要人工占的比例多大（實現生產過程的機械化和自動化，可以減少人工工時，更能

99、保證產品的一致性和質量）？是否需要工模具？質量控制中需要檢測的工序和參數：哪些參數要在加工過程中檢測？哪些參數要在出廠試驗中檢測（出廠試驗的參數應選擇能決定性能的關鍵參數，數量不要多，以便能即時判斷產品質量。）？哪些參數要在型式試驗中檢測？要用什么檢測儀器和設備，價格如何？等等，都是由設計來決定的。因此，高頻電源變壓器的設計者除了要了解高頻電源變壓器的理論和設計方法而外，還要了解各種軟磁材料和磁芯的性能和價格，各種電磁線的性能和價格，各

100、種絕緣材料的性能和價格；還要了解磁芯加工熱處理工藝，線圈繞制和絕緣處理工藝及變壓器組裝工藝；還要了解實現質量控制的檢測參數和儀器設備；還要了解生產管理的基本知識以及高頻電源變壓器的市場動態(tài)等等。只有知識全面的設計者，才能設計出性能好，成本低的高頻電源變壓</p><p>　　降低成本是促進高頻電源變壓器技術發(fā)展的一種推動力。為什么輕、薄、短、小成為高頻電源變壓器的發(fā)展方向？原因之一是這樣既能降低材料成本，又能降低

101、制造成本。提高工作頻率，可以使高頻電源變壓器的重量和體積下降。但是，要克服高頻帶來的負面影響，必須采用新的軟磁材料和導電材料并增加抑制高頻電磁干擾的措施，因此，對具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟選用多高的工作頻率？要在綜合考慮性能和總體成本后決定。提高效率，降低損耗發(fā)生的熱量，可以減少高頻電源變壓器散熱的表面積，從而使體積和重量下降。但是，降低損耗必須采用新材料和新工藝。因此，對具體使用條件下的高頻電源變壓器究竟達到多高的效率？也要在