毕业论文-变压器的设计

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1、标题问题 ： 开关电源的高频变压器设计学 生姓名：徐前学号：8学 部（系）：机电学部专 业年级：08应电指 导教师：张亚兰职称或学位：助教2021年 4 月 10 日目录摘要2Abstract2前言31.国表里研究现状 4 2高频变压器的基本原理及其感化43. 常见的带隔离的开关电源中变压器的感化53.1 正激电路63.2 反激电路73.3 半桥电路83.4 全桥电路93.5 推挽电路104. 开关电源的高频变压器设计114.1 高频变压器的设计原则与设计要求114.2 高频变压器的设计方式114.3 一种实际高频变压器的设计过程154.4 30KHZ 高频开关电源变压器设计15 结束语18

2、参考文献19 致谢20摘要随着电源技术的不断发展，高频化和高功率密度化已经成为开关电源的研究 标的目的和发展趋势，变压器是开关电源的核心部件，并且随着频率和功率的不 断提高，其对电源系统的性能产生影响也日益重要，因此高频开关电源的变压器 设计是实现开关电源发展方针的关键。本文主要研究高频变压器的工作原理，感化和分类。高频变压器和低频变压 器的工作原理一样.就是频率分歧所用的铁芯材料分歧.低频变压器一般用铁芯,高 频变压器用铁氧体磁芯或空芯。变压器的工作原理是用电磁感应原理工作的。常 见的带隔分开关电源按按电路的拓扑结构：正激式、反激式、推挽式、半桥式 和全桥式，本人简单介绍其工作原理，了解变压

3、器在开关电源中的感化。变压器 设计其实就是实现开关电源发展方针的关键，高频变压器的设计要求包孕:使用条 件,完成功能,提高效率,降低成本。关键字：开关电源， 高频变压器 设计High-frequency switching power transformer designWith the continu ous developme nt of power tech no logy, high-freque ncy and high power den sity switch ing power supply tech no logy has become the research and de

4、velopment trend, switching power supply transformer is the core comp onent, and with in creas ing freque ncy and power, its power supply system increasingly important impact on performanee, so high-frequency switching power supply switching power supply transformer design is to achieve developme nt

5、goals.This paper studies the working principle of high-frequency transformer, fun cti on and classificati on. With the isolatio n of several com mon ly used in switchi ng power supply tra nsformer switch roles and work. And desig n a 30KHZ freque ncy switch ing power supply tran sformers.Keywords: s

6、witch ing power supply desig n of high-freque ncy tra nsformer3 / 171前言随着电子信息技术的不断发展，各类电子设备的电源系统在客观上要求小化、 轻量化和高可靠性，制约这个方针实现的根本技术就是开关电源高频化技术。开 关电源变压器是开关电源的核心部件，是实现能量（功率）转换和传输的主要器件 同时该器件又是开关电源体积和重量的主要占有者和发热源。因此，要实现开电 源的小型轻量化、平面智能化和高可靠性的方针，关键在于开关电源变压器的高 频化。1 国表里研究现状20世纪60年代以前，人们遍及采用的是线性调节器式直流稳压电源，即传统 的

7、线性电源，这类电源由于串联晶体管的高损耗和工频变压器较大的体积和重量， 使得其效率低、很难实现小型化，功率密度一般仅为o. 20. 3形/加3。20世 纪60年代，开关调节器式直流稳压电源（开关电源）由于具有功率转换效率高、稳 压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，取代了线性电源。1964年，日本NEC 杂志颁布了两篇具有指导性的文章：一篇为“高频技术使AC/DC电源小型化； 另一篇为“脉冲调制用于电源小型化。这两篇文章指明了开关电源小型化的研究 标的目的，即高频化和脉冲宽度调制技术。1973年，美国摩托罗拉公司颁布了一 篇题为“触发起20kHz的革命的文章，从此在世界范围内掀起了高频开关电源

8、的 开发高潮，并将DC/DC转换器作为开关调节器用于开关电源，使电源的功率密度 由14W/砌3增加到4050形/in3。1980年以前，DC / DC转换器的开关频率 为20一50kHz，从20世纪80年代起，由于一些新功率半导体开关器件、功率模 块和高频磁性材料的泛起，提高开关频率已成为减小开关电源体积和重量的主要 手段，同时也改善了开关电源的动态性能;八十年代国外开关电源的研究频率就已 经在1IO MHZ;二十世纪末期，国外开关电源的功率也迅速获得提高，10-30kW 的大功率开关电源在产品上已很成熟，更高功率的开关电源也有很快发展，如俄 罗斯研制的用于雷达发射机的二140kW开关电源n2

9、1。目前国0. 53MBz的高频 开关电源已实用化，200500kHz已成为输出IOOW以下开关电源的标开关频率， 开关电源的功率密度己向120W / in3的方针发展。开关电源的高频化和高功率密 度化的发展趋势增加了变压器优化设计的难度：一方面高频化缩小了变压器的体 积并增加了磁心和绕组中的损耗，导致变压器发热严重且散热概况减小，这对高 频变压器的散热设计提出了更高的要求；另一方面开关频率的增加导致变压器中 的分布参数，即漏感和分布电容，对变换器的性能产生重要的影响。对于开关式 变换器来说，漏感会引起电压尖峰，对电路中的器件产生损坏，分布电容会引起 电流尖峰并延长充电时间，增大开关以及二极管

10、的损耗，降低变压器的效率和可 靠性，因此在这种工作模式下希望尽可能的减小变压器中的分布参数.国外研究高频开关电源变压器较早，八十年代研究频率就已经在1 10MHzt ， 目前国外0. 5 3MHz的高频开关电源已实用化，文献1报道的2MHz、50W变压器 的几何线度只有 13cm 摆布。目前，我国大部分隔隔离分散关变压器的研究在 500kHz以下，只有为数不多的几个单位研究频率在500kHz以上。已有的研究表白， 除了要有适于高频(0. 53MHz)工作的磁芯材料之外，高频开关电源变压器的设 计对其性能有至关重要的影响。因此研究高频变压器的设计技术对我国的高频开 关电源以及整机系统的发展都是十

11、分重要的。高频变压器随着工作频率的提高 ,设计不断发生变化 ,不断泛起新的软磁材 料、新的磁芯结构、新的导线材料和绝缘材料、新的线圈结构和组装结构等,还会 不断泛起新的设计方式。为适应电子设备愈来愈轻薄短小,高频电子变压器的发展 标的目的从立体结构向平面结构、片式结构、薄膜结构发展,从而形成一代又一代 新的高频电子变压器:平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。目前 ,电子变压器 向着高频化、平面化、集成化、模快化、数组化和混合化标的目的发展 , 并随之 带来新的分析方式,如电磁场分析方式和新的设计技术,如优化计、多场型集成综 合设计,以及新的制造工艺对传统工艺的挑战。由于频率的提高和磁性材料的发

12、展, 许多半导体工艺技术可以应用于高频变压器的制造中。在小功率情况下,高频变压 器能够与功率变换器通过厚膜或薄膜等工艺已经融为一体了。磁芯是高频变压器 的最关键部件,磁芯结构的主要发展标的目的是如何形成形状和尺寸最佳的平面 磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。薄膜磁芯和磁性材料是现在高频电子变压器最活跃 的发展标的目的之一,将成为 MHz 以上高频电子变压器的主要磁芯材料和结构,当 薄膜电子变压器的高度做到 1mm 以下时,就可以装入各种卡片内。随着高频变压器 整体结构的发展，线圈结构主要发展标的目的：平面线圈一片式线圈一薄膜线圈， 其中又包孕多层结构。对于立体结构的高频变压器线圈,考虑集肤效应和邻近效

13、应, 导线材料采用多股绞线(里兹线)，有时也采用扁铜线和铜带，绝缘材料采用耐热等 级高的材料，采用双层和三层绝缘导线，以减少线圈尺寸。对于平面结构线圈，导线 采用铜箔，大大都采用单层和多层印刷电路板制造，也有采用必然形状的铜箔多个 折叠而成，绝缘材料一般采用 B 级材料。对于薄膜结构线圈，导线采用铜、银和金 薄膜，制成梳形、螺旋形和运动场形等图形，绝缘材料采用 H 级和 C 级材料。总之， 薄膜变压器是现在正在大力开发的高频电子变压器。2 高频变压器的基本原理和感化 高频变压器和低频变压器的工作原理一样 .就是频率分歧所用的铁芯材料分歧 .低频变压器一般用铁芯,高频变压器用铁氧体磁芯或空芯。变

14、压器的工作原理是用电磁感应原理工作的。变压器有两组线圈。初级线圈和 次级线圈。次级线圈在初级线圈外边。当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产 生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势。变压器的线圈的匝数比等于电压比。 例如：初级线圈是500匝，次级线圈是250匝，初级通上220V交流电，次级电压 就是110V。变压器能降压也能升压。如果初级线圈比次级线圈圈数少就是升压变 压器,可将低电压升为高电压.高频变压器的定义与分类高频变压器是相对于音频和工频变压器而言的。但是，由于高频的范围太广， 要明确的划分是艰巨的。因此，我们可将工作频率在音频以上的变压器统称为高 频变压器。应该说，这种叫法是不严格的。为

15、此，按照其工作频率，我们将高频 变压器分为以下几类；1. 按频率范围分为a. kHz级高频变压器，它是指工作频率在20kHz至几百kHz的高频变压器；b. MHz级高频变压器，它是指工作频率在1MHz以上的高频变压器。2. 按工作频带分为a. 单频或窄频级高频变压器，它是指工作频率为单频或是一个很窄的频段，如变 换器变压器、振荡器变压器等；b. 宽频带变压器，它是指工作在一个很宽频率范围内的变压器，如阻抗变换器变 压器、通讯变压器、宽带功率放大器变压器等3 常用的带隔离的开关电源中变压器的感化广义地说，凡是采用半导体功率开关器件作为开关管，通过对开关管的高频开 通与关断控制，将一种电能形态转换

16、成为另一种电能形态的装置，叫做开关转换 器。以开关转换器为主要组成部分，用闭环自动控制来稳定输出电压，并在电路 中加入庇护环节的电源，叫做开关电源(Switching POWER Supply)。如果用高频 DC/DC转换器作为开关电源的开关转换器时，就称为高频开关电源H 3。高频开关 电源的基本电路由“交流一直流转换电路”、“开关型功率变换器”“整流滤波 电路”和“控制电路”等组成。高频开关电源的分类方式有多种：(1) 按DC / DC转换器的开关条件，可分为硬开关(Hard Switching)和软 开关(Sof t SWI TCHING)两种。(2) 按驱动方式，可分为自激式和他激式。(

17、3) 按输入与输出之间是否有电气隔离，可分为隔离式和非隔离式。(4) 按电路的拓扑结构：隔离式有正激式、反激式、推挽式、半桥式 和全桥式：非隔离式有降压型、升压型和升降压型等。3.1 正激电路电路的工作过程:1 开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两 端的电压也是上正下负因此VD1处于通态,VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；2 S关断后，电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕 组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为0 .变压器的磁心复位:开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加 而线性的增长，直到S关断.为防止变

18、压器的激磁电感饱和，必需设法使激磁电流在 S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位。正激电路的抱负化波形:SOL叫iU-O变压器的磁心复位时间为：TIST=N3*Ton/N1输出电压:输出滤波电感电流连续的情况下:UO/UI=N2*Ton/N1*T7 / 17磁心复位过程:0 1 2只有少数问题能够用解析的方式求出精确解，这类问题往往是方程性质比力简单 几何边界相当轨则。而对于大大都工程技术问题，由于研究对象的几何形状比力 复杂或者问题的某些特征是非线形的，则很少有解析解。对于这类问题往往有两 种解决方式：一是将方程和边界条件简化为容易处理的问题，从而获得它在简化

19、 状态下的解。这种方式只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化可能导致解 与实际值偏差很大或者甚至是荒谬的。另一种方式是利用计算机强大的计算能力 使用数值模拟方式求得满足工程要求的数值解。高频开关电源变压器的设计，由 于所涉及的几个主要变量是非线性的，因此目前国表里对高频开关电源变压器的 设计主要有两类方式，一类是简化求解：一类是数值模拟。高频开关电源变压器 的设计相对于低频要复杂得多，诸如趋肤效应、邻近效应、畴壁共振等许多因素 在低频下可被忽略，而在高频下却变得十分重要。以下几个问题是高频变压器设 计中讨论最多的问题。高频开关电源变压器的设计相对于低频要复杂得多，诸如 趋肤效应、邻近效应、畴

20、壁共振等许多因素在低频下可被忽略，而在高频下却变 得十分重要。以下几个问题是高频变压器设计中讨论最多的问题。1.趋肤深度 当导线中流过高频交流电流时，电流将向导线概况集中，导致导线概况电流密度 增大。这种现象称为趋肤效应。由于趋肤效应，交变电流沿导线概况向导线中心 衰减，当衰减到概况电流强度的l, e时所达到的径向深度，称之为趋肤深度。趋 肤深度与电流的频率、导线的磁导率及电导率有关，其关系为： （式中f为频率，u为导线磁导率，P为导线电阻率。其中P是一个随温度变化的 量。） 交流电阻的理论值和实测值很接近，只是实测的交流电阻值较理论值稍大 一些，这主要是由于Dowel l模型假设漏磁平行导体

21、交界面分布，这只有在导体的 宽度和厚度之比很大时才近似成立，而且也没有考虑导体之间的邻近效应以及气隙的边缘效应。但由于理论值和实测值的偏差不大，因此还是很适用于高频变压 器绕组的交流电阻和漏感的预测。同时，许多论文对Dowel l的结论做了修正和发 展指出Dowell模型虽然广泛使用，而且比力有效。可是这个著名的因子并无理论 按照，通过比力实验值与Dowell模型理论值，为Dowell交流电阻系数计算公式引 人了3个修正参数，这3个参数用来校正分析曲线，使其与实测结果更吻合。目前 常用的数值模拟方式主要有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法， 其中最常用的是有限元法，有限元计算结果已成

22、为各类工业产品设计和性能分析 的可靠依据。国际著名的通用有限元软件有几十种，常用的有：SAP、ANSYS、ANSOFT、 NASTRAN、ADINA、ALGORFEM 等，其中ANSYS、ANSOFF、NASTRAN软件是变压器分 析中最常用的软件。利用有限元软件可以有效地分析变压器的电感、电容、涡流、 磁通密度、电流密度、电磁场分布、能量损耗、温升等。有限元分析的过程主要 有三步：前处理、求解计算及后处理。前处理阶段主要的工作是选择分析模块、 定义单元类型和材料特性、建立实体模型、对模型进行网格划分、施加载荷和边 界条件等。求解计算阶段主要的工作是选择求解类型并设置求解选项。后处理阶 段的主

23、要工作是读取求解结果，对求解结果进行图形、列表显示等。对于变压器 的电磁场分析，主要有二(三)维谐性分析和二(三)维瞬态分析。前者适于激励源 坚守必然交变规律(如正弦、余弦)的情况：后者适于激励源无轨则变化的情况。 对于变压器的温升，要利用有限元软件的耦合场来分析，并且还要为软件提供变 压器的热导率、比热、对流换热系数、焓、辐射系数、生热率等。目前，利用数 值模拟方式设计高频开关电源变压器主要分为定性分析和定量分析。前者一般采 用二维分析，其方针不是关心具体量值，而是比力在分歧的情况下，某一量的变 化情况，从而获得一些指导性的设计原则。后者则重视具体的量值，尽可能通过 数值模拟方式获得高频开关

24、电源变压器设计中某些不易计算量的精确值并和实验 值进行比力，最终达到在必然程度上替代实验的目的。因此相对于二维分析，三 维分析更适于定量分析，然而由于三维分析的复杂性，因此很多情况下也用二维 分析来进行定量分析。2.定性分析Dai等人加 通过二维有限元方式，研究了绕组间隙及初次级绕组的宽度对边缘效 应的影响，如图2所示。为了研究边缘效应与绕组间隙的关系，作者设计的分析模 型见图2a，其中磁芯为罐状磁芯，初次级为0.127mm (5mi l)的铜薄带。通过有限 元分析，获得500kHz时分歧绕组间隙下的磁场分布情况。图2b和2c所示的绕组间 隙分别为0. 254mm(10mil)和0. 127m

25、m(50mil)的情况。作者由此得出结论：漏感 随绕组间隙的增大而单调递增。(c)然而要精确地进行定量分析，现在还存在以 下艰巨：(1)复杂的有限元模型，尤其是三维模型，往往很难通过有限元软件本身 来建立，而是要通过该软件与CAD软件的接口去调用CAD软件所建立的模型这里有 两个问题，首先这类CAD软件在国内刚风行不久，很难找到合适好用的该类软件: 其次用该类CAD软件建立的三维复杂模型，比如三维绕组模型，在调入到有限元 软件中后，有时会产生错误。(2)大型有限元模型对计算机系统资源要求很高，并 且运算时间较长。(3)不容易检查分析结果的正确性，只能与实测值进行比对。高频变压器的设计包孕:磁芯

26、材料的选择,磁芯结构的选择,磁芯参数的设计,线圈参数的设计,组 装结构的选择和温升校核等内容。(1) 磁芯材料的选择设计高频变压器,选择软磁材料是关键的第一步,各种磁芯的特性比力如表1所示。高频变压器 磁芯一般使用软磁材料。软磁材料有较高磁导率,低的矫顽力,高的电阻率。磁导率高,在必然线 圈匝数时,通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度,线圈就能承受较高的外加电压,因此 在输出功率必然的情况下,可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低,磁滞回环面积小,则铁耗也少4。电 阻率高则涡流小,铁耗也小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体,和其它软磁磁芯材料一样,软磁铁 氧体的优点是电阻率高、交流涡流损耗小,价格便宜,

27、易加工成各种形状的磁芯,缺点是工作磁通 密度低、磁导率不高、磁致伸缩大、对温度变化比力敏感。它适合高频下使用,因此高频变压 器一般采用铁氧体材料作为磁芯。(2) 磁芯结构的选择磁芯基本结构有:叠片，凡是由硅钢或镍钢薄片冲剪成E、I、F、O等形状， 叠成一个铁芯。环形铁芯，由O型薄片叠成，也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕 而成。C形铁芯，此种铁芯可免去环形铁芯绕线艰巨的缺点，由二个C型铁芯对接 而成。罐形铁芯，它是磁芯在外，铜线圈在里，免去环形线圈不便的一种结构形式, 可以减少EMI。缺点是内部线圈散热不良，温升较高。高频变压器设计时选择磁芯 结构应考虑的因素:降低漏磁和漏感，增加线圈散热面积，有

28、利于屏蔽，线圈绕线容 易，装配接线便当等。在高频变压器磁芯结构设计中，对窗口面积的大小，要综合考 虑各种因素后来决意。为了防止高频电源变压器从里向外和从外向里的电磁干扰， 有些磁芯结构在窗口外面有封锁和半封锁外壳。封锁外壳屏蔽电磁干扰感化好，但 散热和接线不便当，必需留有接线孔和出气孔。半封锁外壳，封锁的地方起屏蔽电 磁干扰感化，不封锁的地方用于接线和散热。如果窗口完全开放，接线和散热便当， 屏蔽电磁干扰感化差。(3) 磁芯参数AB的选择 高频变压器磁芯参数选择时，必需注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制，还要受损耗的限制，同时还与功率传送的工作方式有关。对于磁通单标的目的变化 的工作模式：，

29、ab既受饱和磁通密度限制,又受损耗限制。对于磁通双标的目的变 化的工作模式：，工作磁滞回线包抄的面积比局部回线大得多,损耗也大得多，AB 主要受损耗限制，而且还要注意泛起的直流偏磁问题。对电感器功率传送方式，磁 导率是有气隙后的等值磁导率，一般都比磁化曲线测出的磁导率小。(4) 线圈参数的计算与选择 高频变压器的线圈参数包孕:匝数、导线截面(直径)、导线形式、绕组分列和绝缘放置。原绕组匝数按照外加激磁电压或者原绕组激磁电感(储存能量)来决意， 匝数不能过多也不能过少。如果匝数过多，会增加漏感和绕线工时;如果匝数过少， 在外加激磁电压比力高时，有可能使匝间电压降和层间电压降增大，而必需加强绝 缘

30、。副绕组匝数由输出电压决意。导线截面(直径)决意于绕组的电流密度。还要 注意的是导线截面(直径)的大小还与漏感有关。高频变压器的绕组分列形式有: 如果原绕组电压高，副绕组电压低，可以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，原 绕组在最外层的绕组分列形式，这样有利于原绕组对磁芯的绝缘放置;如果要增 加原和副绕组之间耦合，可以采用一半原绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组， 最外层再绕一半原绕组的绕组分列形式，这样有利于减少漏感。另外，当原绕组为 高压绕组时，匝数不能太少，否则，匝间或者层间电压相差大，会引起局部短路。对 于绝缘放置，首先要注意使用的电磁线和绝缘件的绝缘材料等级要与磁芯和绕组 允许的工

31、作温度相匹配。等级低，满足不了耐热要求，等级过高，会增加不必要的材 料成本。其次，对在圆柱形磁路上绕线的线圈，最好采用线圈骨架，既可以包管绝缘， 又可以简化绕线工艺。另外，线圈最外层和最里层，高压和低压绕组之间都要加强 绝缘。如果一般绝缘只垫一层绝缘薄膜，加强绝缘应垫23层绝缘薄膜。(5) 组装结构的选择 高频变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组装结构，上下概况比力大，有利于散热;其它的都采用立式 结构。另外，组装结构中采用的夹件和接线端子等尽量采用标准件，以便于外协加 工，降低成本。(6) 工作点的确定对于新买来的磁芯,由于厂家提供的磁感应强度

32、值并不准确,一般先要粗略测 试它,具体方式:将调压器接至原线圈,用示波器观察副线圈输出电压波形,将原线 圈的输入电压由小到大慢慢升高,直到示波器显示的波形发生奇变,此时磁芯已饱 和，按照公式:U=4.44fNlm可推知在M值。(7) 变压器磁芯的具体计算方式高频变压器铁芯的设计方式有几种，这里我们介绍一种AP法。主要过程:先是 求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积AE的乘积AP,再按照AP值,查表找出磁性 材料的编号，然后选择合适的铁芯材料。3.3. 一种实际高频变压器的设计过程设变压器的输入电压V1=24V,功率P0=250W,效率n=0.95,输出电压V2=220V, 采用E型磁芯，允许温

33、升25C,KJ=323, X=-0.14,饱和磁通密约为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,设工作频率为20kHz,由计算得 AP=6.65X(l+10%)7.28cm4，取 10%裕度后,AP=8.09 cm4,查设计手册拔取 E17 铁 氧体磁芯,那么其 AW=2.56cm2,Ae=3.80cm2, AP=9.73cm4 满足要求。高频变压器设计好后必需进行温升校核,温升校核可以通过计算和实物测试 来进行。如果实物测试温升不超过允许温升就可以通过。如果试验温升低于允许 温升15C以上,

34、那么要对绕组的电流密度和导线截面进行调整，适当增加电流密度 和减少导线截面。如果实物试验温升超过允许温升,则要对绕组的电流密度和导线 截面进行调整,适当减少电流密度和增加导线截面。如果增加导线截面,导致窗口 绕不下,要增加磁芯尺寸。如果实物试验磁芯温升超过允许温升,则要增加磁芯的 散热面积,加大磁芯。3.4 30KHZ高频开关电源变压器设计1 变压器的性能指标 工作频率 f：30kHz变换器输入电压Ui:DC3OOV变换器输出电压U 0:DC2100V变换器输出电流Io:0.08A整流电路：桥式整流占空比D： 1%90%输出效率n：80%耐压： DC12kV温升：+50C工作环境条件:一55C

35、+ 85 C2变压器磁心的选择与工作点确定从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢、铁氧体材料已很难满足变 压器在频率、使用环境方面的设计要求。磁心的材料只有从坡莫合金、钴基非晶 态合金和超微晶合金三种材料中来考虑，但坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为 超微晶合金的数倍，而饱和磁感应强度Bs却为超微晶合金2/3摆布，且加工工艺 复杂。因此，综合三种材料的性能比力，选择饱和磁感应强度Bs高，温度稳定性 好，价格低廉，加工便当的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。钴基非晶 态合金和超微晶合金的主要磁性能比力。磁心工作点的选择往往从磁心的材料，变压器的工作状态，工作频率，输出功 率，绝缘耐压等因素

36、来考虑。超微晶合金的饱和磁感应强度Bs较高约为1.2T,在双 极性开关电源变压器的设计中，磁心的最大工作磁感应强度BM般可取到0.6 0.7T,经分外处理的磁心，BM可达到0.9T。在本设计中，由于工作频率、绝缘耐 压、使用环境的原因，把最大工作磁感应强度BM定在0.6T，而磁心结构则定为不 暗语的矩形磁心。这种结构的磁心与环形磁心比拟具有线圈绕制便当、分布参数 影响小、磁心窗口利用率高、散热性好、系统绝缘可靠、但电磁兼容性较差。推 挽电路：工作过程:2推挽电路中两个开关S1和S2交替导通,在绕组N1和Nl两端分别形成相位相反的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压.2S1导通时，二极管VD1

37、处于通态，电感L的电流逐渐上升.2S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L的电流也逐渐上升.2当两个开关都关断时,VD1和VD2都处于通态，各分管一半的电流.S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍UI.2S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通.3 变压器主要参数的计算3.1 变压器的计算功率半桥式变换器的输出电路为桥式整流时，其开关电源变压器的计算功率为：Pt=uoio（i+i/n）（i）将 U 0=2100V,Io=0.08A,n=80% 代入式（1）,可得 Pt=378W。3.2 变压器的设计输出能力变压器的设计输出能力为：AP=（Pt 104/4Bmf

38、KWKJ）1.16 （2）式中：工作频率f为30kHz,工作磁感应强度BM取0.6T，磁心的窗口占空系数KW 取0.2，矩形磁心的电流密度（温升为50C时）KJ取468。经计算，变压器的设计输出能 力AP=0.511cm4。3.3 变压器的实际输出能力铁基超微晶铁心及超微晶软磁合金通过省级技术鉴定1999 年10 月24 日，由江西省科委等机关委托主持的对江西大有科技有限公司研 制的新产品DYON型铁基超微晶磁铁心和超微晶软磁合金通过了省级技术鉴定， 获得与会专家学者的高度评价，一致认为这两项产品性能稳定，各项技术指标分 别达到美国UL94P标准和国标GBm292 89技术要求，在国内同类产品

39、中具有 特色。非晶态（超微晶）软磁合金，是90 年代世界六大高科技新型材料之一，它 具有优异的特点，目前国内市场供不应求，前景广阔。联系人：江西省宜春市东 风大街62 号宜春地区粮食局（336000）方华平变压器的输出能力即磁心的输出力， 它取决于磁心面积的乘积（AP），其值等于磁心有效截面积（AC）和它的窗口截 面积（Am）的乘积，即：AP=ACAM在变压器的设计中，变压器的输出能力必 需大于它的设计输出能力。在设计中，我们选用的矩形磁心的尺寸为：10X10X 39X13.4 （即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm, h=39mm），实际AP 达3.66cm4（其 中磁心截面积的

40、占空系数KC取0.7）,大于变压器的设计输出能力0.511cm4，因此, 该磁心能够满足设计使用要求。3.4 绕组计算初级匝数：D取50%, Ton=D/f=0.5/（30X 103）=16.67 口 s, 忽略开关管压降， Up1=Ui/2=150V。N1=Up1Ton102/2BmAc=（150X16.67）102 /（2X0.6X1X1X0.7）=29.77 匝取N1=30匝 次级匝数：忽略整流管压降， Up2=UO=2100V。N2=Up2N1/Up1=（30 X 2100）/150=420匝3.5 导线线径Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08X2100/150=1.12A电流密度：

41、 J=KJAP0.14102=468X0.5110.14X102=5.14A/mm2考虑到线包损耗与温升，把电流密度定为4A/mm2（1）初级绕组：计算导线截面积为Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2初级绕组的线径可选d=0.63m m,其截面积为0.312mm2的圆铜线。（2）次级绕组：计算导线截面积为 Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。次级绕组的线径可选d=0.16m m的圆铜线，其截面积为0.02mm2。为了便当线圈绕 制也可选用线径较粗的导线。4 线圈绕制与绝缘 为减小分布参数的影响，初级采用双腿并绕连接的结构，次级采用分段绕制，串联相接的方式，降低绕组间的

42、电压差，提高变压器的可靠性，绕制后的线圈厚 度约为4.5m m。小于磁心窗口宽度13.4m m的一半。在变压器的绝缘方面，线圈绝 缘选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸，提高初、次级之间的绝缘强 度和抗电晕能力。变压器绝缘则采用整体灌注的方式来包管变压器的绝缘使用要 求。5 小结 该超微晶开关电源变压器，环氧灌注绝缘后通过了产品的电性能检测和机载条件的环境试验，已用于机载设备，变压器的温升V35C,工作效率达到90%以上, 且波形质量优异，电性能参数稳定。超微晶合金薄带是新型的软磁合金，电磁性 能优异，价格低廉，环境适应能力强,在高频电磁元件范畴具有广阔的应用前景，分外是在阵面雷达系统中

43、的电源、激励变压器、电感等。在100kHz的使用条件下, 可以取代铁氧体、坡莫合金用作磁心材料结束语本文主要研究开关电源的高频变压器，介绍了变压器的原理和感化还有分类， 研究了几种常用的开关电源中的变压器的感化及其工作原理，并通过设计 30KHZ 的高频开关电源变压器让我认识到写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论 文时对变压器设计的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会 到实践对于学习的重要性，以前只是分明理论，没有经过实践考察，对知识的理 解不够明确，通过这次的做，真正做到理论时间相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思 维方式和方式，对

44、待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实本身。 同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，必然要从整体考虑，完成一步之 后再作下一步，这样才能更加有效。参考文献1 汪岭.DC/DC升压变换器设计D.上海：上海交通大学微电子学院，2007.2 刘凤君现代高频开关电源技术及应用M.北京：电子工业出版社，2007. 王保全实用电子变压器材料器件手册M沈阳：辽宁科学技术出版社，2003.4张忠仕，汪伟，陈文，李卫开关电源变压器磁芯气隙量的计算J磁性材料及器 件， 2008， 39(1)： 53-56. 尹克宁变压器设计原理M.北京：中国电力出版社，2003.张植保变压器原理与应用M.北京：化

45、学工业出版社，20077 丁道宏.电力电子技术，北京，航空工业出版社， 1999.Colonel WM.T. MCLYMAN龚绍文 译.变压器与电感器设计手册M.北京：中 国电力出版社， 2008.9沙占友，文环明.DC/DC电源变换器的拓扑类型J.电源技术应用，2006, 9(6)：1-4.10 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计，广州，电子工业出版社，1998致谢本次毕业设计从毕业论文标题问题的选择、系统的设计到 30KHZ 开关电源的 变压器的设计。其间每一过程都获得王海彦老师的细心指导，王老师经常放置见 面会，兢兢业业地为我们排忧解难，多次指出我们设计中的错误，并讲解错误的 原因，使

46、我们能及时改正.辅助我们开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。对工作 认真负责，不仅治学严谨而且为人师表，堪称良师益友，教给我们的不仅是知识 还有待人处世的积极态度。在此，向王老师暗示最衷心的感谢感动和最诚挚的敬 意。同学之间彼此指点，在一起讨论问题，使我受益非浅。在此感谢感动辅助过我 的同学，感谢感动学校给予我们良好的工作环境。设计过程中所用到的工具书、参考资料等，都是由学校图书馆提供，在此感谢 感动学校图书馆所有工作人员的默默支持。感谢感动大学三年来对我学习、生活的关心和辅助的所有老师及共同走过四年 同窗的同学。在这里请接受我诚挚的谢意！最后还要感谢感动所有的答辩老师，你们辛苦了，在百忙之中还有抽时间来指 导我们的毕业设计，在此向你们暗示衷心的感谢感动！