开关电源的高频变压器设计.doc

毕业设计（论文） 开关电源的高频变压器设计专 业 电气工程及其自动化 学 生 班 号 学 号 指 导 教 师 答 辩 日 期 哈尔滨工业大学远程教育毕业设计（论文）评语姓名： 李家光 班号： 201003 学号： 201003114720610002 专业：电气工程与自动化 层次：高升专 学习中心： 哈工大网络教育学院 毕业设计（论文）题目： 开关电源的高频变压器设计 工作起止日期：2012年04 月1 日起至2012年5月30日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况、完成质量的评价意见： 指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见： 评阅教师签字： 评阅教师职称： 答辩委员会评语： 根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语： 答辩委员会主 任（签字）： 职 称： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委 员（签字）： 年 月 日哈尔滨工业大学远程教育毕业设计（论文）任务书 姓 名：李家光 学习中心：哈工大网络教育学院 班 号：201003 层 次：高升专 学 号：201003114720610002 专 业：电气工程及自动化 任务起止日期： 2012年04月1日至2012年05月30日 毕业设计（论文）题目： 开关电源的高频变压器设计 立题的目的和意义：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方向和发展趋势，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目标的关键。 技术要求与主要内容：工作频率 f：30kHz变换器输入电压Ui:DC300V变换器输出电压U0:DC2100V变换器输出电流Io:0.08A整流电路：桥式整流占空比D：190输出效率:80耐压：DC12kV温升：50工作环境条件:5585 进度安排：2012年4月1日 4月10日确定题目、提纲起草及审阅2012年4月11日 4月25日初稿提交及审阅2012年4月26日 5月10日复稿提交及审阅2010年5月11日5月26日终稿提交及审阅同组设计者及分工：指导教师签字：_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字：_ 年 月 日毕业设计（论文）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方向和发展趋势，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目标的关键。 本文主要研究高频变压器的工作原理，作用和分类。高频变压器和低频变压器的工作原理一样，就是频率不同所用的铁芯材料不同，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。常见的带隔离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，了解变压器在开关电源中的作用。变压器设计其实就是实现开关电源发展目标的关键，高频变压器的设计要求包括:使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。关键词：开关电源；高频变压器；设计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 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.Key words: switching power; supply design of high-frequency; transformer目 录摘 要IAbstractII目 录III绪 论1第1章 高频变压器概述21.1高频变压器的工作原理21.2高频变压器的分类21.3高频变压器与普通变压器的区别2第2章 常用带隔离开关电源变压器的电路原理42.1正激电路42. 2反激电路62.3半桥电路72. 4全桥电路82.5推挽电路9第3章 开关电源的高频变压器设计思路103.1高频变压器的设计原则与设计要求103.1.1 高频变压器的设计原则103.1.2高频变压器的设计要求103.2高频变压器的设计程序113.2.1磁芯材料的选择113.2.2磁芯结构的选择113.2.3磁芯参数B的选择123.2.4线圈参数的计算与选择123.2.5组装结构的选择123.2.6工作点的确定133.2.7 变压器磁芯的计算方法133.3高频变压器的设计过程13第4章30KHZ高频开关电源变压器设计144.1 变压器的性能指标144.2变压器磁心的选择与工作点确定144.3 变压器主要参数的计算144.3.1 变压器的计算功率144.3.2 变压器的设计输出能力154.3.3 变压器的实际输出能力154.3.4 绕组计算154.3.5 导线线径154.4 线圈绕制与绝缘164.5 效果检测16结 论17致谢18参考文献19附录2024 绪 论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，制约这个目标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目标，关键在于开关电源变压器的高频化。 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方向之一，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，线圈结构主要发展方向:平面线圈片式线圈薄膜线圈，其中又包括多层结构。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，大多数采用单层和多层印刷电路板制造，也有采用一定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。第1章 高频变压器概述1.1高频变压器的工作原理高频变压器和低频变压器的工作原理一样，就是频率不同所用的铁芯材料不同，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。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。 1.2高频变压器的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，要明确的划分是困难的。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。为此，根据其工作频率，我们将高频变压器分为以下几类；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。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。在传统的高频变压器设计中，由于磁芯材料的限制，其工作频率较低，一般在20kHz左右。随着电源技术的不断发展，电源系统的小型化、高频化和大功率化已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积、提高电源输出功率比的关键因素。 1.3高频变压器与普通变压器的区别第一，电源电压不是正弦波，而是交流方波，初级绕组中电流都是非正弦波。第二，变压器的工作频率比较高，通常都在几十赫兹，甚至高达几十万赫兹。在确定铁芯材料及损耗时必须考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的影响。第三，绕组线路比较复杂，多半都有中心抽头。这不仅增大了初级绕组的尺寸，增大了变压器的体积和重量，而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化。高频变压器是制作开关电源的重要工作，也是设计与制作过程中消耗大量时间和主要精力的工作。变压器做得好，整个设计与制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就会出现停振、啸叫或输出电压不稳、负载能力不高等现象。在变压器的温升35，绕制良好的脉冲变压器的工作效率可达到90%以上，且波形质量优异，电性能参数稳定。在100kHz的使用条件下，脉冲变压器的体积可以大大减小。绕制变压器时，要尽最大的努力保证以下几点：第一，即使输入电压最大，主开关器件导通时间最长，也不至于使变压器的磁芯饱和；第二，初级线圈与次级线圈的耦合要好，漏电感要小；第三，高频开关变压器会因集肤效应导致电线的电阻值增大，因而要减小电流密度。通常，工作时的最大磁通密度取决于次级线圈。第四，一般来说，采用铁氧体磁芯E128时，要把Bm控制在3kGs以下。第2章 常用带隔离开关电源变压器的电路原理广义地说，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，并在电路中加入保护环节的电源，叫做开关电源(Switching POWER Supply)。如果用高频DCDC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。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DCDC转换器的开关条件，可分为硬开关(HardSwitching)和软开关(Soft SWI TCHING)两种。(2)按驱动方式，可分为自激式和他激式。(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。2.1正激电路 图2-1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。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。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在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，正激电路的理想化波形: 图2-2 正激电路的理想化波形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*T磁心复位过程: 图2-3 磁心复位过程2. 2反激电路 图2-4反激电路反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程: S开通后,VD处于断态，N1绕组的电流线性增长,电感储能增加； S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2反激电路的工作模式: 电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零。 输出电压关系:U0/UI=N2*ton/N1*TOFF电流断续模式:S开通前,N2绕组中的电流已经下降到零。 输出电压高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,因此反激电路不应工作于负载开路状态。反激电路的理想化波形：图2-5反激电路波形2.3半桥电路图2-6半桥电路工作过程: S1与S2导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比就可以改变二次侧整流电压UD的平均值,也就改变了输出电压U0； S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态, 当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流；S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时,电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为UI。 由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。半桥电路的理想化波形:图2-7半桥电路波形2. 4全桥电路全桥电路原理图 图2-8全桥电路工作过程: 全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为UI的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。全桥电路的理想化波形：图2-9全桥电路波形2.5推挽电路 图2-10推挽电路工作过程:推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两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。S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L的电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍UI。S1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。第3章 开关电源的高频变压器设计思路3.1高频变压器的设计原则与设计要求3.1.1 高频变压器的设计原则高频变压器作为一种产品，与其他商品一样，设计原则是在具体使用条件下完成具体功能中追求性能价格比最好。产品虽然性能好，但如果价格不能为市场接受也会遭冷落和淘汰。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以高频电源变压器的“设计要点”，性能，成本，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。要“节能又节钱”。产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因此，为了节约时间，根据经验，对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据，对窗口填充程度，绕组导线和结构推荐一些方案，不要按步就班地来回进行推算和仿真。设计原则是在具体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯一标准是设计出的产品能否实应住市场。高频电源变压器的设计要求，以设计原则为出发点，可以对高频电源变压器提出4项设计要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。3.1.2高频变压器的设计要求以设计原则为出发点，高频变压器的设计要求包括:使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。使用条件包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性。可靠性是指在具体的使用条件下，高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。高频变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩,高频变压器产生电磁干扰的原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。高频电源变压器完成功能有三个:功率传送，电压变换和绝缘隔离。加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边；电压变换是通过原边和副边绕组匝数比来完成；绝缘隔离通过原边和副边绕组的绝缘结构来完成。提高效率是对电源和电子设备的普遍要求,也是高频变压器的一个设计要求，一般效率要提高到95%以上。高频电源变压器损耗包括磁芯损耗(铁损)和绕组损耗(铜损),变压器的铁损和铜损的比例随变压器的工作频率发生变化。一般在50Hz工频下，铜损远远超过铁损，随着工作频率升高，铜损下降，而铁损随着工作频率升高而迅速增大，铁损是高频电源变压器损耗的主要部分，因此工作。 根据铁损选择磁芯材料是高频电源变压器设计的一个主要内容。降低成本也是高频电源变压器的一个设计要求，有时甚至是决定性的要求。3.2高频变压器的设计程序 高频变压器的设计程序包括:磁芯材料的选择，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。3.2.1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。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，在一定线圈匝数时，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，因此在输出功率一定的情况下，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。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，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、对温度变化比较敏感。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。 3.2.2磁芯结构的选择磁芯基本结构有:叠片，通常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困难的缺点，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，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配接线方便等。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定。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闭和半封闭外壳。封闭外壳屏蔽电磁干扰作用好，但散热和接线不方便，必须留有接线孔和出气孔。半封闭外壳，封闭的地方起屏蔽电磁干扰作用，不封闭的地方用于接线和散热。如果窗口完全开放，接线和散热方便，屏蔽电磁干扰作用差。3.2.3磁芯参数B的选择高频变压器磁芯参数选择时，必须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。对于磁通单方向变化的工作模式:B既受饱和磁通密度限制，又受损耗限制。对于磁通双方向变化的工作模式:工作磁滞回线包围的面积比局部回线大得多，损耗也大得多，B主要受损耗限制，而且还要注意出现的直流偏磁问题。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。3.2.4线圈参数的计算与选择高频变压器的线圈参数包括:匝数、导线截面(直径)、导线形式、绕组排列和绝缘安排。原绕组匝数根据外加激磁电压或者原绕组激磁电感(储存能量)来决定，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，在外加激磁电压比较高时，有可能使匝间电压降和层间电压降增大，而必须加强绝缘。副绕组匝数由输出电压决定。导线截面(直径)决定于绕组的电流密度。还要注意的是导线截面(直径)的大小还与漏感有关。高频变压器的绕组排列形式有: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排列形式，这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排；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排列形式，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。对于绝缘安排，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，既可以保证绝缘，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。 3.2.5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，上下表面比较大，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。 3.2.6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值并不准确，一般先要粗略测试它，具体方法: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，根据公式:U=4.44fN1m可推知在M值。3.2.7 变压器磁芯的计算方法高频变压器铁芯的设计方法有几种，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，再根据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=0.95，输出电压V2=220V，采用E型磁芯，允许温升25，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=6.65(1+10%)7.28cm4，取10%裕度后，AP=8.09 cm4,查设计手册选取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须进行温升校核，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15以上，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。第4章30KHZ高频开关电源变压器设计4.1 变压器的性能指标工作频率 f：30kHz变换器输入电压Ui:DC300V变换器输出电压U0:DC2100V变换器输出电流Io:0.08A整流电路：桥式整流占空比D：190输出效率:80耐压：DC12kV温升：50工作环境条件:5585 4.2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 左右，且加工工艺复杂。因此，综合三种材料的性能比较，选择饱和磁感应强度Bs高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。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一般可取到0.60.7T，经特别处理的磁心，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切口的矩形磁心。这种结构的磁心与环形磁心相比具有线圈绕制方便、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。4.3 变压器主要参数的计算4.3.1 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(11/)(1)将UO=2100V，Io=0.08A，=80代入式（1），可得Pt=378W。4.3.2 变压器的设计输出能力变压器的设计输出能力为：AP=(Pt104/4BmfKWKJ)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50时）KJ 取468。经计算，变压器的设计输出能力：AP=0.511cm4。4.3.3 变压器的实际输出能力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(3)在变压器的设计中，变压器的输出能力必须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：10103913.4（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。4.3.4 绕组计算初级匝数：D取50，Ton=D/f=0.5/(30103)=16.67s,忽略开关管压降，Up1=Ui/2=150V。N1=Up1Ton102/2BmAc=(15016.67)102/(20.6110.7)=29.77 匝取N1=30匝次级匝数：忽略整流管压降，Up2=UO=2100V。N2=Up2N1/Up1=(302100)/150=420匝4.3.5 导线线径Ip1=Up2Ip2/Up1=0.082100/150=1.12A电流密度：J=KJAP0.14102=4680.5110.14102=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=0.63mm,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=0.16mm的圆铜线，其截面积为0.02mm2。为了方便线圈绕制也可选用线径较粗的导线。4.4 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，降低绕组间的电压差，提高变压器的可靠性，绕制后的线圈厚度约为4.5mm。小于磁心窗口宽度13.4mm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法来保证变压器的绝缘使用要求。4.5 效果检测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35，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，在高频电磁元件领域具有广阔的应用前景，特别是在阵面雷达系统中的电源、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 论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作用还有分类，研究了几种常用的开关电源中的变压器的作用及其工作原理，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，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到理论实践相结合。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法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。致谢本次毕业设计为30KHZ开关电源的变压器的设计。得到刘贵栋老师的细心指导，刘贵栋老师对工作认真负责，堪称良师益友。在此，向刘贵栋老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。同学之间相互指点，在一起讨论问题，使我受益非浅。在此感谢帮助过我的同学，感谢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，在此感谢学校图书馆所有工作人员的默默支持。参考文献1 汪岭.DC/DC升压变换器设计D .上海交通大学微电子学院，2007：6-92 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，2007:11-153 王保全.实用电子变压器材料器件手册M .辽宁科学技术出版社，2003：38-434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.2008：53-565 尹克宁.变压器设计原理M .北京.中国电力出版社，2003：23-266 张植保.变压器原理与应用M .北京.化学工业出版社，2007：11-157 丁道宏.电力电子技术.北京.航空工业出版社，1999：63-688 Colonel WM.T. MCLYMAN龚绍文 译. 变压器与电感器设计手册M .中国电力出版社，2008：28-329 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，2006：1-410 张占松.蔡宣三.开关电源的原理与设计.电子工业出版社，2008：9-10附录高频电源变压器的设计原则高频电源变压器的设计原则，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以高频电源变压器的“设计要点”，性能，成本，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。要“节能又节钱”。产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因此，为了节约时间，根据经验，对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据，对窗口填充程度，绕组导线和结构推荐一些方案,不要按步就班地来回进行推算和仿真。设计原则是在具体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯一标准是设计出的产品能否实应住市场。高频电源变压器的设计要求，以设计原则为出发点，可以对高频电源变压器提出4项设计要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。1使用条件使用条件包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。可靠性是指在具体的使用条件下，高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。有些软磁材料，居里点比较低，对温度敏感。例如：锰锌软磁铁氧体，居里点只有215，其磁通密度，磁导率和损耗都随温度发生变化，故除正常温度25外，还要给出60，80，100时的各种参考数据。因此，将锰锌软磁铁氧体磁芯的工作温度限制在100以下，也就是环境温度为40时，温升只允许低于60，相当于A级绝缘材料温度。与锰锌软磁铁氧体磁芯相配套的电磁线和绝缘件，一般都采用E级和B级绝缘材料，采用H级绝缘的三重绝缘电磁线和聚酰胺薄膜，成本增加,是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案，可以使体积减少1/21/3的缘故?本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器，如次级绕组采用三重绝缘线，能把体积减小1/21/3。电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括音频噪声和高频噪声。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩大的软磁材料，产生的电磁干扰大。例如，锰锌软磁铁氧体，磁致伸缩系数S为21106，是取向硅钢的7倍以上，是高磁导坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶纳米晶合金的10倍以上。因此锰锌软磁铁氧体磁芯产生的电磁干扰大。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源变压器的工作频率一致。因此，工作频率为100kHz左右的高频电源变压器，没有特殊原因是不会产生20kHz以下音频噪声的。10W以下单片开关电源的音频噪声频率，约为10kHz20kHz，一定有其原因。由高频电源变压器本身产生的可能性不大，没有必要采用玻璃珠胶合剂粘合磁芯。屏蔽是防止电磁干扰，增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播，在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施，只加外屏蔽带并不一定是最佳方案，因为它只能阻止辐射干扰，不能阻止传导干扰。2完成功能高频电源变压器完成功能有3个：功率传送，电压变换和绝缘隔离。功率传送有两种方式。第一种是变压器功率的传送方式，加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边。在功率传送过程中，磁芯又分为磁通单方向变化和双方向变化两种工作模式。单方向变化工作模式，磁通密度从最大值Bm变化到剩余磁通密度Br，或者从Br变化到Bm。磁通密度变化值B=BmBr。为了提高B，希望Bm大，Br小。双方向变化工作模式磁通度从Bm变化到Bm，或者从Bm变化到Bm。磁通密度变化值B=2Bm，为了提高B，希望Bm大，但不要求Br小，不论是单方向变化工作模式还是双方向变化工作模式，变压器功率传送方式都不直接与磁芯磁导率有关。第二种是电感器功率传送方式，原绕组输入的电能，使磁芯激磁，变为磁能储存起来，然后通过去磁使副绕组感应电压，变成电能释放给负载。传送功率决定于电感磁芯储能，而储能又决定于原绕组的电感。电感与磁芯磁导率有关，磁导率高，电感量大，储能多，而不直接与磁通密度有关。虽然功率传送方式不同，要求的磁芯参数不一样，但是在高频电源变压器设计中，磁芯的材料和参数的选择仍然是设计的一个主要内容。电压变换通过原边和副边绕组匝数比来完成。不管功率传送是哪一种方式，原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比，只要不改变匝数比，就不影响电压变换。但是，绕组匝数与高频电源变压器的漏感有关。漏感大小与原绕组匝数的平方成正比。“对于一符合绝缘及安全标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的13：“在很多技术单上，标注着漏感=1的磁化电感或漏感2的磁化电感等类似的技术要求。电源设计者应当根据电路正常工作要求，对所能接受的漏感值作一个数值限制。在制作变压器的过程中，应在不使变压器的其他参数（如匝间电容等）变差的情况下尽可能减小漏感值。就是尽可能减小漏感值。因为漏感值大，储存的能量也大，在电源开关过程中突然释放，会产生尖峰电压，增加开关器件承受的电压峰值，对绝缘不利，也产生附加损耗和电磁干扰。绝缘隔离通过原边和副边绕组的绝缘结构来完成。为了保证绕组之间的绝缘，必须增加两个绕组之间的距离，从而降低绕组间的耦合程度，使漏感增大。还有，原绕组一般为高压绕组，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。这样，匝数有下限，使漏感也有下限。总之，在高频电源变压器绝缘结构和总体结构设计中，要统筹考虑漏感和绝缘强度问题。3提高效率提高效率是对电源和电子设备的普遍要求。提高高频电源变压器效率，可以节约电力。又具有环境保护的双重社会经济效益。因此，提高效率是高频电源变压器一个主要的设计要求，一般效率要提高到95以上，损耗要减少到5以下。高频电源变压器损耗包括磁芯损耗（铁损）和绕组损耗（铜损）。有人关心变压器的铁损和铜损的比例。这个比例是随变压器的工作频率发生变化的。如果变压器的外加电压不变，工作频率越低，绕组匝数越多，铜损越大。因此在50Hz工频下，铜损远远超过铁损。例如：50Hz，100kVAS9型三相油浸式硅钢电力变压器，铜损为铁损的5倍左右。50Hz，100kVASH11型三相油浸式非晶合金电力变压器，铜损为铁损的20倍左右。随着工作频率升高，绕组匝数减少，虽然由于趋表效应和邻近效应存在而使绕组损耗增加，但是总的趋势是铜损随着工作频率升高而下降。而铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，随着工作频率升高而迅速增大。在某一段工作频率，有可能出现铜损和铁损相等的情况，超过这一段工作频率，铁损就大于铜损。造成铁损不等于铜损的原因.导线粗细的选择，虽然受趋表效应影响，但主要由高频电源变压器的传送功率来决定，与工作频率不存在直接关系。而且，选用非常细的漆包线作为绕组，反而会增加铜损，延缓铜损的下降趋势。说不定在设计选定的工作频率下，还有可能出现铜损等于铁损的情况。中小功率高频电源变压器的工作频率在100kHz左右，铁损已经大于铜损，而成为高频电源变压器损耗的主要部分。正因为铁损是高频电源变压器损耗的主要部分，因此根据铁损选择磁芯材料是高频电源变压器设计的一个主要内容。铁损也成为评价软磁芯材料的一个主要参数。铁损与磁芯的工作磁通密度工作频率有关，在介绍软磁磁芯材料铁损时，必须说明在什么工作磁通密度下和在什么工作频率下损耗。用符号表示时，也必须标明PB/f式中工作磁通密度B的单位是T（特斯拉），工作频率f的单位是Hz（赫芝）。例如，P0.5/400表示工作磁通密度为0.5T，工作频率为400Hz时的损耗。又例如，P0.1/100k表示工作磁通密度为0.1T，工作频率为100kHz时的损耗。铁损还与工作温度有关，在介绍软磁磁芯材料铁损时，必须指明它的工作温度，特别是软磁铁氧体材料，对温度变化比较敏感，在产品说明书中都要列出25至100的铁损。软磁材料的饱和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限，常常是铁损限制了工作磁通密度的上限。所以，在新的电源变压器用软磁铁氧体材料分类标准中，把允许的工作磁通密度和工作频率乘积Bf，作为材料的性能因子，并说明在性能因子条件下允许的损耗值。新的分类标准根据性能因子把软磁铁氧体材料分为PW1，PW2，PW3，PW4，PW5等5类，性能因子越高的，工作频率越高，极限频率也越高。例如，PW3类软磁铁氧体材料，工作频率为100kHz，极限频率为300kHz，性能因子Bf为10000mTkHz，即在100mT（0.1T）和100kHz下，100时损耗a级300kW/m（300mW/cm3），b级150kW/m3（150mW/cm3）。在某一段工作频率下，高频电源变压器的绕组损耗（铜损）与铁损相接近时，例如，铜损/铁损=10025范围内，铜损也不能忽视，也应当考虑采取措施来减少铜损。由于原绕组和副绕组承担的功率相近，往往在设计中取原绕组的铜损等于副绕组的铜损，以便简化设计计算过程，不能只强调依温升来设计高频电源变压器，由于热阻不容易准确确定，设计计算相当麻烦。因此，为了简化计算，有时根据经验预先推荐一些原则和数据是必要的。同样，为了简化计算，对不同工作频率，不同功率的高频电源变压器推荐不同的绕组电流密度，也是必要的，但不限于某一个电流密度值，例如，2A/mm23A/mm2。应当看到：实现高频电源变压器设计要求的方法并不限于一种，应当进行多种多样的探索。4降