開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文） 開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學 生 班 號 學 號 指 導 教 師 答 辯 日 期 哈爾濱工業(yè)大學遠程教育畢業(yè)設(shè)計（論文）評語姓名： 李家光 班號： 201003 學號： 專業(yè)：電氣工程與自動化 層次：高升專 學習中心： 哈工大網(wǎng)絡(luò)教育學院 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計 工作起止日期：2012年04 月1 日起至2012年5月30日止指導教師對畢業(yè)設(shè)計（論文）進行情況、完成質(zhì)量的評價意見： 指導教師簽字： 指導教師職稱： 評閱人評閱意見： 評閱教師簽字： 評閱教師職稱： 答辯委員會評語： 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）的材料和學生的答辯情況

2、，答辯委員會作出如下評定：學生 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯成績評定為： 對畢業(yè)設(shè)計（論文）的特殊評語： 答辯委員會主 任（簽字）： 職 稱： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委 員（簽字）： 年 月 日哈爾濱工業(yè)大學遠程教育畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 姓 名：李家光 學習中心：哈工大網(wǎng)絡(luò)教育學院 班 號：201003 層 次：高升專 學 號： 專 業(yè)：電氣工程及自動化 任務(wù)起止日期： 2012年04月1日至2012年05月30日 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計 立題的目的和意義：隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻化和高功率密度化已經(jīng)成為開關(guān)電源的研究方向和發(fā)展趨勢，變壓器是開關(guān)電源的核

3、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(chǎn)生影響也日益重要，因此高頻開關(guān)電源的變壓器設(shè)計是實現(xiàn)開關(guān)電源發(fā)展目標的關(guān)鍵。 技術(shù)要求與主要內(nèi)容：工作頻率 f：30kHz變換器輸入電壓Ui:DC300V變換器輸出電壓U0:DC2100V變換器輸出電流Io:0.08A整流電路：橋式整流占空比D：190輸出效率:80耐壓：DC12kV溫升：50工作環(huán)境條件:5585 進度安排：2012年4月1日 4月10日確定題目、提綱起草及審閱2012年4月11日 4月25日初稿提交及審閱2012年4月26日 5月10日復稿提交及審閱2010年5月11日5月26日終稿提交及審閱同組設(shè)計者及分工：指導教

4、師簽字：_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字：_ 年 月 日摘 要隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻化和高功率密度化已經(jīng)成為開關(guān)電源的研究方向和發(fā)展趨勢，變壓器是開關(guān)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(chǎn)生影響也日益重要，因此高頻開關(guān)電源的變壓器設(shè)計是實現(xiàn)開關(guān)電源發(fā)展目標的關(guān)鍵。 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(yīng)原理工作的。常見的帶隔離開關(guān)電源按按電路的拓撲結(jié)構(gòu)：正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋

5、式，本人簡單介紹其工作原理，了解變壓器在開關(guān)電源中的作用。變壓器設(shè)計其實就是實現(xiàn)開關(guān)電源發(fā)展目標的關(guān)鍵，高頻變壓器的設(shè)計要求包括:使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；高頻變壓器；設(shè)計Abstract With the continuous development of power technology, high-frequency and high power density switching power supply technology has become the research and development trend, switching power s

6、upply transformer is the core component, and with increasing frequency and power, its power supply system increasingly important impact on performance, so high-frequency switching power supply switching power supply transformer design is to achieve development goals.  This paper studies the wor

7、king principle of 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 transformers.Key words: switching power; supply design of high-frequ

8、ency; transformer目 錄摘 要IAbstractII目 錄III緒 論1第1章 高頻變壓器概述21.1高頻變壓器的工作原理21.2高頻變壓器的分類21.3高頻變壓器與普通變壓器的區(qū)別2第2章 常用帶隔離開關(guān)電源變壓器的電路原理42.1正激電路42. 2反激電路62.3半橋電路72. 4全橋電路82.5推挽電路9第3章 開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計思路103.1高頻變壓器的設(shè)計原則與設(shè)計要求103.1.1 高頻變壓器的設(shè)計原則10高頻變壓器的設(shè)計要求103.2高頻變壓器的設(shè)計程序11磁芯材料的選擇11磁芯結(jié)構(gòu)的選擇11磁芯參數(shù)B的選擇12線圈參數(shù)的計算與選擇12組裝結(jié)構(gòu)的選擇12工作

9、點的確定133.2.7 變壓器磁芯的計算方法133.3高頻變壓器的設(shè)計過程13第4章30KHZ高頻開關(guān)電源變壓器設(shè)計144.1 變壓器的性能指標144.2變壓器磁心的選擇與工作點確定144.3 變壓器主要參數(shù)的計算144.3.1 變壓器的計算功率144.3.2 變壓器的設(shè)計輸出能力154.3.3 變壓器的實際輸出能力154.3.4 繞組計算154.3.5 導線線徑154.4 線圈繞制與絕緣164.5 效果檢測16結(jié) 論17致謝18參考文獻19附錄20 緒 論隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各類電子設(shè)備的電源系統(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(xiàn)的根本技術(shù)就是開關(guān)電源高頻化技術(shù)。開

10、關(guān)電源變壓器是開關(guān)電源的核心部件，是實現(xiàn)能量(功率)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹饕骷瑫r該器件又是開關(guān)電源體積和重量的主要占有者和發(fā)熱源。因此，要實現(xiàn)開電源的小型輕量化、平面智能化和高可靠性的目標，關(guān)鍵在于開關(guān)電源變壓器的高頻化。 薄膜磁芯和磁性材料是現(xiàn)在高頻電子變壓器最活躍的發(fā)展方向之一，將成為MHz以上高頻電子變壓器的主要磁芯材料和結(jié)構(gòu)，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(nèi)。隨著高頻變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，線圈結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。對于立體結(jié)構(gòu)的高頻變壓器線圈，考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，導線材料采用多股絞線(里茲線),有時也采用扁銅線和銅帶

11、，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(jié)構(gòu)線圈，導線采用銅箔，大多數(shù)采用單層和多層印刷電路板制造，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(jié)構(gòu)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。總之，薄膜變壓器是現(xiàn)在正在大力開發(fā)的高頻電子變壓器。第1章 高頻變壓器概述1.1高頻變壓器的工作原理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(yīng)原理工作的。變壓器有兩組線圈。初級線圈和次級

12、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(chǎn)生交變磁場，次級線圈就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。變壓器的線圈的匝數(shù)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。變壓器能降壓也能升壓。如果初級線圈比次級線圈圈數(shù)少就是升壓變壓器,可將低電壓升為高電壓。 1.2高頻變壓器的分類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(yīng)該說，這種叫法是不嚴格的。為此，根據(jù)其工作頻率，我們將高頻變壓器分為以下幾類；按頻率范圍分為：a. kHz級高

13、頻變壓器，它是指工作頻率在20kHz至幾百kHz的高頻變壓器；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。按工作頻帶分為：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；b. 寬頻帶變壓器，它是指工作在一個很寬頻率范圍內(nèi)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。在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)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(shù)的不斷發(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

14、電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。  1.3高頻變壓器與普通變壓器的區(qū)別第一，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。第二，變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十赫茲，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。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(guān)系發(fā)生變化。 高頻變壓器是制作開關(guān)電源的重要工作，也是設(shè)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，整個設(shè)計與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會出現(xiàn)停振

15、、嘯叫或輸出電壓不穩(wěn)、負載能力不高等現(xiàn)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(zhì)量優(yōu)異，電性能參數(shù)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(guān)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??；第三，高頻開關(guān)變壓器會因集膚效應(yīng)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。第2章 常用帶隔離開關(guān)電源變壓器的電路原

16、理廣義地說，凡是采用半導體功率開關(guān)器件作為開關(guān)管，通過對開關(guān)管的高頻開通與關(guān)斷控制，將一種電能形態(tài)轉(zhuǎn)換成為另一種電能形態(tài)的裝置，叫做開關(guān)轉(zhuǎn)換器。以開關(guān)轉(zhuǎn)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(guān)電源(Switching POWER Supply)。如果用高頻DCDC轉(zhuǎn)換器作為開關(guān)電源的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時，就稱為高頻開關(guān)電源。高頻開關(guān)電源的基本電路由“交流一直流轉(zhuǎn)換電路”、“開關(guān)型功率變換器”、“整流濾波電路”和“控制電路”等組成。高頻開關(guān)電源的分類方式有多種：(1)按DCDC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)條件，可分為硬開關(guān)(HardSwitching)和軟開關(guān)(Soft

17、SWI TCHING)兩種。(2)按驅(qū)動方式，可分為自激式和他激式。(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。(4)按電路的拓撲結(jié)構(gòu)：隔離式有正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋式：非隔離式有降壓型、升壓型和升降壓型等。2.1正激電路 圖2-1正激電路電路的工作過程: 1、開關(guān)S開通后,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；2、S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流,VD1關(guān)斷。S關(guān)斷后變壓器的激磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為Ø。變壓器的磁心復位:開

18、關(guān)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性的增長，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的一段時間內(nèi)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: 圖2-2 正激電路的理想化波形變壓器的磁心復位時間為: TIST=N3*Ton/N1輸出電壓:輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下: UO/UI=N2*Ton/N1*T磁心復位過程: 圖2-3 磁心復位過程2. 2反激電路 圖2-4反激電路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: S開通后,VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線性增長

19、,電感儲能增加； S關(guān)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(guān)斷后的電壓為:us=Ui+N1*Uo/N2反激電路的工作模式: 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(guān)系:U0/UI=N2*ton/N1*TOFF電流斷續(xù)模式:S開通前,N2繞組中的電流已經(jīng)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(yīng)工作于負載開路狀態(tài)。反激電路的理想化波形：圖2-5反激電路波形2.3半橋電路圖2-6半橋電路工作過程: S1與S2導通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關(guān)的占空

20、比就可以改變二次側(cè)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(guān)都關(guān)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(guān)都關(guān)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(guān)導通時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動平衡作用，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:圖2-7半橋電路波形2. 4全橋電路全橋電路原理圖 圖2-8全橋電路工作過程: 全橋

21、逆變電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導通，使變壓器一次側(cè)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：圖2-9全橋電路波形2.5推挽電路 圖2-10推挽電路工作過程:推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導通，在繞組N1和N1兩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。 S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。 S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L的電流也逐漸上升。當兩個開關(guān)都關(guān)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。 

22、;S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個開關(guān)同時導通。第3章 開關(guān)電源的高頻變壓器設(shè)計思路3.1高頻變壓器的設(shè)計原則與設(shè)計要求 高頻變壓器的設(shè)計原則高頻變壓器作為一種產(chǎn)品，與其他商品一樣，設(shè)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(chǎn)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(xiàn)在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強調(diào)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(shè)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(shè)計原則，追求更好的性能價格比，傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器

23、，應(yīng)當設(shè)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(chǎn)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(chǎn)品最后被成本否決。要“節(jié)能又節(jié)錢”。產(chǎn)品成本，不但包括材料成本，生產(chǎn)成本，還包括研發(fā)成本，設(shè)計成本。因此，為了節(jié)約時間，根據(jù)經(jīng)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(shù)據(jù)，對窗口填充程度，繞組導線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案，不要按步就班地來回進行推算和仿真。設(shè)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(shè)計的唯一標準是設(shè)計出的產(chǎn)品能否實應(yīng)住市場。高頻電源變壓器的設(shè)計要求，以設(shè)計原則為出發(fā)點

24、，可以對高頻電源變壓器提出4項設(shè)計要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。高頻變壓器的設(shè)計要求以設(shè)計原則為出發(fā)點，高頻變壓器的設(shè)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(nèi)容:可靠性和電磁兼容性。可靠性是指在具體的使用條件下，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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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: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(chǎn)生磁通變化

25、，使副繞組感應(yīng)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(shù)比來完成；絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。提高效率是對電源和電子設(shè)備的普遍要求,也是高頻變壓器的一個設(shè)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(jù)鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設(shè)計的一個主要內(nèi)容。降低成本也是高頻電源變壓器的一個設(shè)計要求，有時甚至是

26、決定性的要求。3.2高頻變壓器的設(shè)計程序 高頻變壓器的設(shè)計程序包括:磁芯材料的選擇，磁芯結(jié)構(gòu)的選擇，磁芯參數(shù)的設(shè)計，線圈參數(shù)的設(shè)計，組裝結(jié)構(gòu)的選擇和溫升校核等內(nèi)容。磁芯材料的選擇設(shè)計高頻變壓器，選擇軟磁材料是關(guān)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(shù)時，通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應(yīng)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(jié)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

27、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。 3.2.2磁芯結(jié)構(gòu)的選擇磁芯基本結(jié)構(gòu)有: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。環(huán)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。C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。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(jié)構(gòu)形式，可以減少EMI。缺點是內(nèi)部線圈散熱不良，溫升較高。高頻變壓器設(shè)計時選擇磁芯結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮的因素:降低漏磁和漏感，增加線圈散

28、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(jié)構(gòu)設(shè)計中，對窗口面積的大小，要綜合考慮各種因素后來決定。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(jié)構(gòu)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。3.2.3磁芯參數(shù)B的選擇高頻變壓器磁芯參數(shù)選擇時，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(guān)。對于磁通單方向變化的工作模式:B既受飽和磁

29、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，B主要受損耗限制，而且還要注意出現(xiàn)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。線圈參數(shù)的計算與選擇高頻變壓器的線圈參數(shù)包括:匝數(shù)、導線截面(直徑)、導線形式、繞組排列和絕緣安排。原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電感(儲存能量)來決定，匝數(shù)不能過多也不能過少。如果匝數(shù)過多，會增加漏感和繞線工時；如果匝數(shù)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(shù)由輸出電壓決定。導線截面(直徑)

30、決定于繞組的電流密度。還要注意的是導線截面(直徑)的大小還與漏感有關(guān)。高頻變壓器的繞組排列形式有: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；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(shù)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，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

31、要的材料成本。其次,對在圓柱形磁路上繞線的線圈，最好采用線圈骨架，既可以保證絕緣，又可以簡化繞線工藝。另外，線圈最外層和最里層，高壓和低壓繞組之間都要加強絕緣。如果一般絕緣只墊一層絕緣薄膜，加強絕緣應(yīng)墊23層絕緣薄膜。 組裝結(jié)構(gòu)的選擇高頻變壓器組裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，上下表面比較大，有利于散熱；其它的都采用立式結(jié)構(gòu)。另外，組裝結(jié)構(gòu)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。 工作點的確定對于新買來的磁芯，由于廠家提供的磁感應(yīng)強度值并不準確，一般先要粗略測試它，具體方法:將調(diào)壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出

32、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(jù)公式:U=4.44fN1m可推知在M值。 變壓器磁芯的計算方法高頻變壓器鐵芯的設(shè)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(jù)AP值,查表找出磁性材料的編號，然后選擇合適的鐵芯材料。3.3高頻變壓器的設(shè)計過程設(shè)變壓器的輸入電壓V1=24V,功率P0=250W,效率=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

33、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(shè)工作頻率為20kHz，由計算得AP=6.65×(1+10%)7.28cm4，取10%裕度后，AP=8.09 cm4,查設(shè)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。高頻變壓器設(shè)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(diào)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，則要對繞組的電流密度和導線截面進行

34、調(diào)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。第4章30KHZ高頻開關(guān)電源變壓器設(shè)計4.1 變壓器的性能指標工作頻率 f：30kHz變換器輸入電壓Ui:DC300V變換器輸出電壓U0:DC2100V變換器輸出電流Io:0.08A整流電路：橋式整流占空比D：190輸出效率:80耐壓：DC12kV溫升：50工作環(huán)境條件:5585 4.2變壓器磁心的選擇與工作點確定從變壓器的性能指標要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼、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(shè)計要求。磁心的材料只有從坡莫合金、

35、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(shù)倍，而飽和磁感應(yīng)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(yīng)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(shù)指標的實現(xiàn)。磁心工作點的選擇往往從磁心的材料，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(yīng)強度Bs較高約為1.2T，在雙極性開關(guān)電源變壓器的設(shè)計中，磁心的最大工作磁感應(yīng)強度BM一般可取到0.60.7T，經(jīng)特別處理的磁心，BM可達到 0.9T。在本設(shè)計中，由于工作頻率、絕緣耐壓、使用環(huán)

36、境的原因，把最大工作磁感應(yīng)強度BM定在0.6T，而磁心結(jié)構(gòu)則定為不切口的矩形磁心。這種結(jié)構(gòu)的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠、但電磁兼容性較差。4.3 變壓器主要參數(shù)的計算4.3.1 變壓器的計算功率半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時，其開關(guān)電源變壓器的計算功率為：Pt=UOIO(11/)(1)將UO=2100V，Io=0.08A，=80代入式（1），可得Pt=378W。4.3.2 變壓器的設(shè)計輸出能力變壓器的設(shè)計輸出能力為：AP=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16（2）式中：工作頻率f為30kHz，工作磁感應(yīng)強度B

37、M取0.6T，磁心的窗口占空系數(shù)KW取0.2；矩形磁心的電流密度（溫升為50時）KJ 取468。經(jīng)計算，變壓器的設(shè)計輸出能力：AP=0.511cm4。4.3.3 變壓器的實際輸出能力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(shè)計中，變壓器的輸出能力必須大于它的設(shè)計輸出能力。在設(shè)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

38、空系數(shù)KC取0.7)，大于變壓器的設(shè)計輸出能力0.511cm4，因此，該磁心能夠滿足設(shè)計使用要求。4.3.4 繞組計算初級匝數(shù)：D取50，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67s,忽略開關(guān)管壓降，Up1=Ui/2=150V。N1=Up1Ton102/2BmAc=(150×16.67)102/(2×0.6×1×1×0.7)=29.77 匝取N1=30匝次級匝數(shù)：忽略整流管壓降，Up2=UO=2100V。N2=Up2N1/Up1=(30×2100)/150=420匝4.3.5 導線線徑Ip1=Up2Ip2/Up1=

39、0.08×2100/150=1.12A電流密度：J=KJAP0.14102=468×0.5110.14×102=5.14A/mm2考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2（1）初級繞組：計算導線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2初級繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。(2)次級繞組：計算導線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。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。4.4 線圈繞制與絕緣為減小分布參數(shù)的影響，初級

40、采用雙腿并繞連接的結(jié)構(gòu)，次級采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，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(zhì)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?zāi)芰?。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。4.5 效果檢測該超微晶開關(guān)電源變壓器，環(huán)氧灌注絕緣后通過了產(chǎn)品的電性能檢測和機載條件的環(huán)境試驗，已用于機載設(shè)備，變壓器的溫升<35，工作效率達到90以上，且波形質(zhì)量優(yōu)異，電性能參數(shù)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(yīng)能力強

41、，在高頻電磁元件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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。結(jié) 論本文主要研究開關(guān)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(guān)電源中的變壓器的作用及其工作原理，并通過設(shè)計30KHZ的高頻開關(guān)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(shè)計的問題的模糊認識到最后能夠?qū)υ搯栴}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(jīng)過實踐考察，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(jié)合?？傊?，通過畢業(yè)設(shè)計,我深刻體會到要做

42、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。致謝本次畢業(yè)設(shè)計為30KHZ開關(guān)電源的變壓器的設(shè)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。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。設(shè)計過程中所用到的工具書、參考資料等，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。參考文獻1 汪嶺.D

43、C/DC升壓變換器設(shè)計D .上海交通大學微電子學院，2007：6-92 劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用M .北京電子工業(yè)出版社，2007:11-153 王保全.實用電子變壓器材料器件手冊M .遼寧科學技術(shù)出版社，2003：38-434張忠仕.汪偉.陳文.李衛(wèi).開關(guān)電源變壓器磁芯氣隙量的計算J .磁性材料及器件.2008：53-565 尹克寧.變壓器設(shè)計原理M .北京.中國電力出版社，2003：23-266 張植保.變壓器原理與應(yīng)用M .北京.化學工業(yè)出版社，2007：11-157 丁道宏.電力電子技術(shù).北京.航空工業(yè)出版社，1999：63-688 Colonel WM.T. MCLYMAN

44、龔紹文 譯. 變壓器與電感器設(shè)計手冊M .中國電力出版社，2008：28-329 沙占友.文環(huán)明.DC/DC電源變換器的拓撲類型J .電源技術(shù)應(yīng)用，2006：1-410 張占松.蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計.電子工業(yè)出版社，2008：9-10附錄高頻電源變壓器的設(shè)計原則高頻電源變壓器的設(shè)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?，F(xiàn)在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發(fā)展方向，是強調(diào)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(shè)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(shè)計

45、原則，追求更好的性能價格比，傳送不到10VA的單片開關(guān)電源高頻變壓器，應(yīng)當設(shè)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(chǎn)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(chǎn)品最后被成本否決。要“節(jié)能又節(jié)錢”。產(chǎn)品成本，不但包括材料成本，生產(chǎn)成本，還包括研發(fā)成本，設(shè)計成本。因此，為了節(jié)約時間，根據(jù)經(jīng)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(shù)據(jù)，對窗口填充程度，繞組導線和結(jié)構(gòu)推薦一些方案,不要按步就班地來回進行推算和仿真。設(shè)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(shè)計的唯一標準是設(shè)計

46、出的產(chǎn)品能否實應(yīng)住市場。高頻電源變壓器的設(shè)計要求，以設(shè)計原則為出發(fā)點，可以對高頻電源變壓器提出4項設(shè)計要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。1使用條件使用條件包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。可靠性是指在具體的使用條件下，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(shù)據(jù)。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

47、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(shè)計方案，可以使體積減少1/21/3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1/21/3。電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)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(chǎn)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，產(chǎn)生的電磁干擾大。例如，錳鋅軟磁鐵氧體，磁致伸縮系數(shù)S為21

48、×106，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶納米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產(chǎn)生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此，工作頻率為100kHz左右的高頻電源變壓器，沒有特殊原因是不會產(chǎn)生20kHz以下音頻噪聲的。10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz20kHz，一定有其原因。由高頻電源變壓器本身產(chǎn)生的可能性不大，沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。屏蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電

49、源變壓器的電磁干擾傳播，在設(shè)計磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當采取相應(yīng)的措施，只加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因為它只能阻止輻射干擾，不能阻止傳導干擾。2完成功能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(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應(yīng)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變化到剩余磁通密度Br，或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值B=BmBr。為了提高B，希望Bm大，Br小。雙方向變化工作模式磁通度從B

50、m變化到Bm，或者從Bm變化到Bm。磁通密度變化值B=2Bm，為了提高B，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(guān)。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(yīng)電壓，變成電能釋放給負載。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(guān)，磁導率高，電感量大，儲能多，而不直接與磁通密度有關(guān)。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數(shù)不一樣，但是在高頻電源變壓器設(shè)計中，磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計的一個主要內(nèi)容。電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數(shù)

51、比來完成。不管功率傳送是哪一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比，只要不改變匝數(shù)比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān)。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比?！皩τ谝环辖^緣及安全標準的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級開路時初級電感量的13：“在很多技術(shù)單上，標注著漏感=1的磁化電感或漏感<2的磁化電感等類似的技術(shù)要求。電源設(shè)計者應(yīng)當根據(jù)電路正常工作要求，對所能接受的漏感值作一個數(shù)值限制。在制作變壓器的過程中，應(yīng)在不使變壓器的其他參數(shù)（如匝間電容等）變差的情況下盡可能減小漏感值。就是盡可能減小漏感值。因為漏感值大，儲存的能量也大，在電源開關(guān)過程中突然釋放，會產(chǎn)生尖峰電壓，增加開關(guān)器件承受的電壓峰值，對絕緣不利，也產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾。絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)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組，匝數(shù)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(shù)有下限，使漏感也有下限?？傊诟哳l電源變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要統(tǒng)籌考慮漏感和絕緣強度問題。3提高效率提高效率是對電源和