開關電源的高頻變壓器設計.doc

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駐馬店職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 題目： 開關電源的高頻變壓器設計 學 生 姓 名： 徐前 學號:080382011308 學 部 （系）： 機電學部 專 業(yè) 年 級： 08應電 指 導 教 師： 張亞蘭 職稱或學位：助教 2011 年 4 月 10 日 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………2 Abstract………………………………………………………………………………2 前言……………………………………………………………………………………3 1.國內外研究現狀…………………………………………………………………4 2.高頻變壓器的基本原理及其作用…………………………………………………4 3.常見的帶隔離的開關電源中變壓器的作用………………………………………5 3.1正激電路…………………………………………………………………………6 3.2反激電路…………………………………………………………………………7 3.3半橋電路…………………………………………………………………………8 3.4全橋電路…………………………………………………………………………9 3.5推挽電路…………………………………………………………………………10 4.開關電源的高頻變壓器設計………………………………………………………11 4.1高頻變壓器的設計原則與設計要求……………………………………………11 4.2高頻變壓器的設計方法…………………………………………………………11 4.3一種實際高頻變壓器的設計過程………………………………………………15 4.4 30KHZ高頻開關電源變壓器設計……………………………………………15 結束語…………………………………………………………………………………18 參考文獻………………………………………………………………………………19 致謝……………………………………………………………………………………20  摘 要 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。 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包括:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本。 關鍵字：開關電源， 高頻變壓器 設計 High-frequency switching power transformer design 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 supply 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 working 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. Keywords: switching power supply design of high-frequency transformer 前 言 隨著電子信息技術的不斷發(fā)展，各類電子設備的電源系統在客觀上要求小化、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。 1 國內外研究現狀 20世紀60年代以前，人們普遍采用的是線性調節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，即傳統的線性電源，這類電源由于串聯晶體管的高損耗和工頻變壓器較大的體積和重量，使得其效率低、很難實現小型化，功率密度一般僅為0．2～0．3形／加3。20世紀60年代，開關調節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源(開關電源)由于具有功率轉換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點，取代了線性電源。1964年，日本NEC雜志發(fā)表了兩篇具有指導性的文章：一篇為“高頻技術使AC／DC電源小型化"；另一篇為“脈沖調制用于電源小型化"。這兩篇文章指明了開關電源小型化的研究方向，即高頻化和脈沖寬度調制技術。1973年，美國摩托羅拉公司發(fā)表了一篇題為“觸發(fā)起20kHz的革命"的文章，從此在世界范圍內掀起了高頻開關電源的開發(fā)熱潮，并將DC／DC轉換器作為開關調節(jié)器用于開關電源，使電源的功率密度由1～4W／砌3增加到40～50形／in3。1980年以前，DC／DC轉換器的開關頻率為20"--50kHz，從20世紀80年代起，由于一些新功率半導體開關器件、功率模塊和高頻磁性材料的出現，提高開關頻率已成為減小開關電源體積和重量的主要手段，同時也改善了開關電源的動態(tài)性能;八十年代國外開關電源的研究頻率就已經在1～IOMHZ;二十世紀末期，國外開關電源的功率也迅速得到提高，10---30kW的大功率開關電源在產品上已很成熟，更高功率的開關電源也有很快發(fā)展，如俄羅斯研制的用于雷達發(fā)射機的二140kW開關電源n21。目前國0．5～3MBz的高頻開關電源已實用化，200～500kHz已成為輸出IOOW以下開關電源的標開關頻率，開關電源的功率密度己向120W／in3的目標發(fā)展。開關電源的高頻化和高功率密度化的發(fā)展趨勢增加了變壓器優(yōu)化設計的難度：一方面高頻化縮小了變壓器的體積并增加了磁心和繞組中的損耗，導致變壓器發(fā)熱嚴重且散熱表面減小，這對高頻變壓器的散熱設計提出了更高的要求；另一方面開關頻率的增加導致變壓器中的分布參數，即漏感和分布電容，對變換器的性能產生重要的影響。對于開關式變換器來說，漏感會引起電壓尖峰，對電路中的器件產生損壞，分布電容會引起電流尖峰并延長充電時間，增大開關以及二極管的損耗，降低變壓器的效率和可靠性，因此在這種工作模式下希望盡可能的減小變壓器中的分布參數. 國外研究高頻開關電源變壓器較早，八十年代研究頻率就已經在1 10MHzt ， 目前國外0．5 3MHz的高頻開關電源已實用化，文獻[1]報道的2MHz、50W 變壓器的幾何線度只有1．3cm左右。目前，我國大部分開關變壓器的研究在500kHz以下，只有為數不多的幾個單位研究頻率在500kHz以上。已有的研究表明，除了要有適于高頻(0．5—3MHz)工作的磁芯材料之外，高頻開關電源變壓器的設計對其性能有至關重要的影響。因此研究高頻變壓器的設計技術對我國的高頻開關電源以及整機系統的發(fā)展都是十分重要的。 　　高頻變壓器隨著工作頻率的提高,設計不斷發(fā)生變化,不斷出現新的軟磁材料、新的磁芯結構、新的導線材料和絕緣材料、新的線圈結構和組裝結構等,還會不斷出現新的設計方法。為適應電子設備愈來愈輕薄短小,高頻電子變壓器的發(fā)展方向從立體結構向平面結構、片式結構、薄膜結構發(fā)展,從而形成一代又一代新的高頻電子變壓器:平面變壓器、片式變壓器、薄膜變壓器。目前,電子變壓器向著高頻化、平面化、集成化、模快化、數組化和混合化方向發(fā)展, 并隨之帶來新的分析方法,如電磁場分析方法和新的設計技術,如優(yōu)化計、多場型集成綜合設計,以及新的制造工藝對傳統工藝的挑戰(zhàn)。由于頻率的提高和磁性材料的發(fā)展,許多半導體工藝技術可以應用于高頻變壓器的制造中。在小功率情況下,高頻變壓器能夠與功率變換器通過厚膜或薄膜等工藝已經融為一體了。磁芯是高頻變壓器的最關鍵部件,磁芯結構的主要發(fā)展方向是如何形成形狀和尺寸最佳的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。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,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。 2 高頻變壓器的基本原理和作用 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。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. 高頻變壓器的定義與分類 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； 1.按頻率范圍分為 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； 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。 2.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 3 常用的帶隔離的開關電源中變壓器的作用 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H 3。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： (1)按DC／DC轉換器的開關條件，可分為硬開關(Hard Switching)和軟 開關(Soft SWI TCHING)兩種。 (2)按驅動方式，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)按電路的拓撲結構：①隔離式有正激式、反激式、推挽式、半橋式 和全橋式：②非隔離式有降壓型、升壓型和升降壓型等。 3.1正激電路 電路的工作過程: 1開關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; 2S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0 . 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: 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: 3.2反激電路 反激電路原理圖 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,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 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). 反激電路的理想化波形： 3.3半橋電路 半橋電路原理圖 工作過程: 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: 3.4全橋電路 全橋電路原理圖 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: 3.5推挽電路: 工作過程: 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. 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. 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. 4 開關電源的高頻變壓器設計 4.1 高頻變壓器的設計原則與設計要求 (1) 高頻變壓器的設計原則。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。 (2) 高頻變壓器的設計要求。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: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。 根據鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設計的一個主要內容。降低成本也是高頻電源變壓器的一個設計要求,有時甚至是決定性的要求。 4.2 高頻變壓器的設計方法 許多工程電磁場問題都可歸結為在給定邊界條件下求解其控制方程的問題。但只有少數問題能夠用解析的方法求出精確解，這類問題往往是方程性質比較簡單，幾何邊界相當規(guī)則。而對于大多數工程技術問題，由于研究對象的幾何形狀比較復雜或者問題的某些特征是非線形的，則很少有解析解。對于這類問題往往有兩種解決方法：一是將方程和邊界條件簡化為容易處理的問題，從而得到它在簡化狀態(tài)下的解。這種方法只在有限的情況下是可行的，因為過多的簡化可能導致解與實際值偏差很大或者甚至是荒謬的。另一種方法是利用計算機強大的計算能力，使用數值模擬方法求得滿足工程要求的數值解。高頻開關電源變壓器的設計，由于所涉及的幾個主要變量是非線性的，因此目前國內外對高頻開關電源變壓器的設計主要有兩類方法，一類是簡化求解：一類是數值模擬。高頻開關電源變壓器的設計相對于低頻要復雜得多，諸如趨膚效應、鄰近效應、疇壁共振等許多因素在低頻下可被忽略，而在高頻下卻變得十分重要。以下幾個問題是高頻變壓器設計中討論最多的問題。高頻開關電源變壓器的設計相對于低頻要復雜得多，諸如趨膚效應、鄰近效應、疇壁共振等許多因素在低頻下可被忽略，而在高頻下卻變得十分重要。以下幾個問題是高頻變壓器設計中討論最多的問題。 1.趨膚深度 當導線中流過高頻交流電流時，電流將向導線表面集中，導致導線表面電流密度增大。這種現象稱為趨膚效應。由于趨膚效應，交變電流沿導線表面向導線中心衰減，當衰減到表面電流強度的l，e時所達到的徑向深度，稱之為趨膚深度。趨膚深度與電流的頻率、導線的磁導率及電導率有關，其關系為： (式中．f為頻率， u為導線磁導率，P為導線電阻率。其中P是—個隨溫度變化的量。) 交流電阻的理論值和實測值很接近，只是實測的交流電阻值較理論值稍大一些，這主要是由于Dowell模型假設漏磁平行導體交界面分布，這只有在導體的寬度和厚度之比很大時才近似成立，而且也沒有考慮導體之間的鄰近效應以及氣隙的邊緣效應。但由于理論值和實測值的偏差不大，因此還是很適用于高頻變壓器繞組的交流電阻和漏感的預測。同時，許多論文對Dowell的結論做了修正和發(fā)展指出Dowell模型雖然廣泛使用，而且比較有效?？墒沁@個著名的因子并無理論根據，通過比較實驗值與Dowell模型理論值，為Dowell交流電阻系數計算公式引人了3個修正參數，這3個參數用來校正分析曲線，使其與實測結果更吻合。目前常用的數值模擬方法主要有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，其中最常用的是有限元法，有限元計算結果已成為各類工業(yè)產品設計和性能分析的可靠依據。國際著名的通用有限元軟件有幾十種，常用的有：SAP、ANSYS、ANSOFT、NASTRAN、ADINA、ALGOR—FEM 等，其中ANSYS、ANSOFF、NASTRAN軟件是變壓器分析中最常用的軟件。利用有限元軟件可以有效地分析變壓器的電感、電容、渦流、磁通密度、電流密度、電磁場分布、能量損耗、溫升等。有限元分析的過程主要有三步：前處理、求解計算及后處理。前處理階段主要的工作是選擇分析模塊、定義單元類型和材料特性、建立實體模型、對模型進行網格劃分、施加載荷和邊界條件等。求解計算階段主要的工作是選擇求解類型并設置求解選項。后處理階段的主要工作是讀取求解結果，對求解結果進行圖形、列表顯示等。對于變壓器的電磁場分析，主要有二(三)維諧性分析和二(三)維瞬態(tài)分析。前者適于激勵源服從一定交變規(guī)律(如正弦、余弦)的情況：后者適于激勵源無規(guī)則變化的情況。對于變壓器的溫升，要利用有限元軟件的耦合場來分析，并且還要為軟件提供變壓器的熱導率、比熱、對流換熱系數、焓、輻射系數、生熱率等。目前，利用數值模擬方法設計高頻開關電源變壓器主要分為定性分析和定量分析。前者一般采用二維分析，其目標不是關心具體量值，而是比較在不同的情況下，某一量的變化情況，從而得到一些指導性的設計原則。后者則重視具體的量值，盡可能通過數值模擬方法得到高頻開關電源變壓器設計中某些不易計算量的精確值并和實驗值進行比較，最終達到在一定程度上替代實驗的目的。因此相對于二維分析，三維分析更適于定量分析，然而由于三維分析的復雜性，因此很多情況下也用二維分析來進行定量分析。 2.定性分析 Dai等人加 通過二維有限元方法，研究了繞組間隙及初次級繞組的寬度對邊緣效應的影響，如圖2所示。為了研究邊緣效應與繞組間隙的關系，作者設計的分析模型見圖2a，其中磁芯為罐狀磁芯，初次級為0．127mm (5mil)的銅薄帶。通過有限元分析，得到500kHz時不同繞組間隙下的磁場分布情況。圖2b和2c所示的繞組間隙分別為0．254mm(10mil)和0．127mm(50mil)的情況。作者由此得出結論：漏感隨繞組間隙的增大而單調遞增。(c) 然而要精確地進行定量分析，現在還存在以下困難：(1)復雜的有限元模型，尤其是三維模型，往往很難通過有限元軟件本身來建立，而是要通過該軟件與CAD軟件的接口去調用CAD 軟件所建立的模型這里有兩個問題，首先這類CAD 軟件在國內剛流行不久，很難找到合適好用的該類軟件：其次用該類CAD 軟件建立的三維復雜模型，比如三維繞組模型，在調入到有限元軟件中后，有時會產生錯誤。(2)大型有限元模型對計算機系統資源要求很高，并且運算時間較長。(3)不容易檢查分析結果的正確性，只能與實測值進行比對。 高頻變壓器的設計包括: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。 　　(1) 磁芯材料的選擇 　　 設計高頻變壓器,選擇軟磁材料是關鍵的第一步,各種磁芯的特性比較如表1所示。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[4]。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。 (2) 磁芯結構的選擇 　　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)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。 　　(3) 磁芯參數ΔB的選擇 　　高頻變壓器磁芯參數選擇時,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。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。 (4) 線圈參數的計算與選擇 　　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,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,加強絕緣應墊2～3層絕緣薄膜。 (5) 組裝結構的選擇 　　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,以便于外協加工,降低成本。 (6) 工作點的確定 　　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=4.44fN1Φm可推知在ΦM值。 (7) 變壓器磁芯的具體計算方法 　　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。 3.3. 一種實際高頻變壓器的設計過程 　　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=8.09 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。 　　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。 3.4 30KHZ高頻開關電源變壓器設計 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：1％～90％ 輸出效率η:≥80％ 耐壓：DC12kV 溫升：＋50℃ 工作環(huán)境條件:－55℃～＋85 ℃ 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。鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金的主要磁性能比較。 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、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統絕緣可靠、但電磁兼容性較差。推挽電路: 工作過程: 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. 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. 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. 3 變壓器主要參數的計算 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，其開關電源變壓器的計算功率為： Pt=UOIO(1＋1/η)(1) 將UO=2100V,Io=0.08A,η=80％代入式（1），可得Pt=378W。 3.2 變壓器的設計輸出能力 變壓器的設計輸出能力為： AP=(Pt104/4BmfKWKJ)1.16（2） 式中：工作頻率f為30kHz，工作磁感應強度BM取0.6T，磁心的窗口占空系數KW取0.2， 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 AP=0.511cm4。 3.3 變壓器的實際輸出能力 鐵基超微晶鐵心及超微晶軟磁合金通過省級技術鑒定 1999 年10 月24 日，由江西省科委等機關委托主持的對江西大有科技有限公司研制的新產品DY－ON型鐵基超微晶磁鐵心和超微晶軟磁合金通過了省級技術鑒定，獲得與會專家學者的高度評價，一致認為這兩項產品性能穩(wěn)定，各項技術指標分別達到美國UL94－P標準和國標GBm292－89 技術要求，在國內同類產品中具有特色。非晶態(tài)（超微晶）軟磁合金，是90 年代世界六大高科技新型材料之一，它具有優(yōu)異的特點，目前國內市場供不應求，前景廣闊。聯系人：江西省宜春市東風大街62 號宜春地區(qū)糧食局（336000）方華平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：10103913.4（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。 3.4 繞組計算 初級匝數：D取50％，Ton=D/f=0.5/(30103)=16.67μs, 忽略開關管壓降，Up1=Ui/2=150V。 N1=Up1Ton10－2/2BmAc=(15016.67)10－2 /(20.6110.7)=29.77 匝 取N1=30匝 次級匝數：忽略整流管壓降，Up2=UO=2100V。 N2=Up2N1/Up1=(302100)/150=420匝 3.5 導線線徑 Ip1=Up2Ip2/Up1=0.082100/150=1.12A 電流密度：J=KJAP－0.1410－2=4680.511－0.14 10－2=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 線圈繞制與絕緣 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。 5 小結 該超微晶開關電源變壓器，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 結束語 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，對知識的理解不夠明確，通過這次的做，真正做到理論時間相結合。 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。 參考文獻 [1] 汪嶺.DC/DC升壓變換器設計[D].上海：上海交通大學微電子學院，2007. 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