毕业论文-变压器的设计

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1目录摘要……………………………………………………………………………………2Abstract………………………………………………………………………………2前言……………………………………………………………………………………31.国内外研究现状…………………………………………………………………42.高频变压器的基本原理及其作用…………………………………………………43.常见的带隔离的开关电源中变压器的作用………………………………………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法…………………………………………………………114.3一种实际高频变压器的设计过程………………………………………………154.430KHZ高频开关电源变压器设计……………………………………………15结束语…………………………………………………………………………………18参考文献………………………………………………………………………………19致谢……………………………………………………………………………………202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3High-frequencyswitchingpowertransformerdesignWiththecontinuousdevelopmentofpowertechnology,high-frequencyandhighpowerdensityswitchingpowersupplytechnologyhasbecometheresearchanddevelopmenttrend,switchingpowersupplytransformeristhecorecomponent,andwithincreasingfrequencyandpower,itspowersupplysystemincreasinglyimportantimpactonperformance,sohigh-frequencyswitchingpowersupplyswitchingpowersupplytransformerdesignistoachievedevelopmentgoals.Thispaperstudiestheworkingprincipleofhigh-frequencytransformer,functionandclassification.Withtheisolationofseveralcommonlyusedinswitchingpowersupplytransformerswitchrolesandwork.Anddesigna30KHZfrequencyswitchingpowersupplytransformers.Keywords:switchingpowersupplydesignofhigh-frequencytransformer4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，5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6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