开关电源的高频变压器设计.docx
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开关电源的高频变压器设计
驻马店职业技术学院
毕业设计
题目：
开关电源的高频变压器设计
学生姓名：
徐前学号:
080382011308
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
2011年4月10日
目录
摘要……………………………………………………………………………………2
Abstract………………………………………………………………………………2
前言……………………………………………………………………………………3
1.国内外研究现状…………………………………………………………………42.高频变压器的基本原理及其作用…………………………………………………4
3.常见的带隔离的开关电源中变压器的作用………………………………………5
3.1正激电路…………………………………………………………………………6
3.2反激电路…………………………………………………………………………7
3.3半桥电路…………………………………………………………………………8
3.4全桥电路…………………………………………………………………………9
3.5推挽电路…………………………………………………………………………10
4.开关电源的高频变压器设计………………………………………………………11
4.1高频变压器的设计原则与设计要求……………………………………………11
4.2高频变压器的设计方法…………………………………………………………11
4.3一种实际高频变压器的设计过程………………………………………………15
4.430KHZ高频开关电源变压器设计……………………………………………15
结束语…………………………………………………………………………………18
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。
关键字：
开关电源，高频变压器设计
High-frequencyswitchingpowertransformerdesign
Withthecontinuousdevelopmentofpowertechnology,high-frequencyandhighpowerdensityswitchingpowersupplytechnologyhasbecometheresearchanddevelopmenttrend,switchingpowersupplytransformeristhecorecomponent,andwithincreasingfrequencyandpower,itspowersupplysystemincreasinglyimportantimpactonperformance,sohigh-frequencyswitchingpowersupplyswitchingpowersupplytransformerdesignistoachievedevelopmentgoals.
Thispaperstudiestheworkingprincipleofhigh-frequencytransformer,functionandclassification.Withtheisolationofseveralcommonlyusedinswitchingpowersupplytransformerswitchrolesandwork.Anddesigna30KHZfrequencyswitchingpowersupplytransformers.
Keywords:
switchingpowersupplydesignofhigh-frequencytransformer
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。
1国内外研究现状
20世纪60年代以前，人们普遍采用的是线性调节器式直流稳压电源，即传统的线性电源，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0．2～0．3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杂志发表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方向，即高频化和脉冲宽度调制技术。
1973年，美国摩托罗拉公司发表了一篇题为“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的开发热潮，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1～4W／砌3增加到40～50形／in3。
1980年以前，DC／DC转换器的开关频率为20"--'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出现，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1～IOMHZ;二十世纪末期，国外开关电源的功率也迅速得到提高，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n21。
目前国0．5～3MBz的高频开关电源已实用化，200～500kHz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的目标发展。
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表面减小，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110MHzt，目前国外0．53MHz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1．3cm左右。
目前，我国大部分开关变压器的研究在500kHz以下，只有为数不多的几个单位研究频率在500kHz以上。
已有的研究表明，除了要有适于高频（0．5—3MHz）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,不断出现新的软磁材料、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,还会不断出现新的设计方法。
为适应电子设备愈来愈轻薄短小,高频电子变压器的发展方向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、数组化和混合化方向发展,并随之带来新的分析方法,如电磁场分析方法和新的设计技术,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方向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。
2高频变压器的基本原理和作用
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.
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；
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作用
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（SwitchingPOWERSupply）。
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H3。
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（HardSwitching）和软
开关（SoftSWITCHING）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：
①隔离式有正激式、反激式、推挽式、半桥式
和全桥式：
②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:
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:
3.2反激电路
反激电路原理图
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：
3.3半桥电路
半桥电路原理图
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:
3.4全桥电路
全桥电路原理图
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:
3.5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N’1两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.
4开关电源的高频变压器设计
4.1高频变压器的设计原则与设计要求
（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。
（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。
4.2高频变压器的设计方法
许多工程电磁场问题都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程的问题。
但只有少数问题能够用解析的方法求出精确解，这类问题往往是方程性质比较简单，几何边界相当规则。
而对于大多数工程技术问题，由于研究对象的几何形状比较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法：
一是将方程和边界条件简化为容易处理的问题，从而得到它在简化状态下的解。
这种方法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。
另一种方法是利用计算机强大的计算能力，使用数值模拟方法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，因此目前国内外对高频开关电源变压器的设计主要有两类方法，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，电流将向导线表面集中，导致导线表面电流密度增大。
这种现象称为趋肤效应。
由于趋肤效应，交变电流沿导线表面向导线中心衰减，当衰减到表面电流强度的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—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Dowell模型假设漏磁平行导体交界面分布，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Dowell的结论做了修正和发展指出Dowell模型虽然广泛使用，而且比较有效。
可是这个著名的因子并无理论根据，通过比较实验值与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法主要有：
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、ALGOR—FEM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。
前者适于激励源服从一定交变规律（如正弦、余弦）的情况：
后者适于激励源无规则变化的情况。
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，利用数值模拟方法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，其目标不是关心具体量值，而是比较在不同的情况下，某一量的变化情况，从而得到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法得到高频开关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较，最终达到在一定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法，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（5mil）的铜薄带。
通过有限元分析，得到500kHz时不同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0．127mm（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，现在还存在以下困难：
（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软件在国内刚流行不久，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。
（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,各种磁芯的特性比较如表1
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