【自动化】大功率dcdc用高频变压器的优化设计

毕业设计（论文）题目大功率DC/DC用高频变压器的优化设计学院（系）自动化学院专业班级自动化0601班本科生毕业设计（论文任务书学生姓名专业班级自动化0601班指导教师工作单位自动化学院设计论文题目大功率DC/DC用高频变压器的优化设计设计（论文）主要内容对大功率高频变压器进行优化设计，研究高频变压器的优化设计方法。分析变压器用磁芯材料的特性及区别。讨论绕组线径、匝数、变压器损耗、分布参数等对变压器性能、重量和体积的影响，结合实际的电源系统提出完整的优化设计方法与步骤。要求完成的主要任务1了解全桥式DC/DC的电路图工作原理，输入电压范围29VDC72VDC，输出电压310VDC400VDC，额定输出功率35KW，开关频率为20KHZ，稳态工作时输出电压脉动峰峰值200MV；2了解变压器的基本构造和工作原理，相关DC/DC配套变压器容量为35004000VA，变压器目标工作效率98，整机目标效率90；3分析变压器磁芯的特性，选择合适的变压器磁芯；4分析变压器的损耗和影响变压器损耗的因素，通过给定数据设计变压器；5撰写毕业设计论文，字数不低于15000左右；6完成英文翻译2万字（其中汉字5000字）；7参考文献10篇以上（其中外文文献2篇以上）。必读参考资料1刘胜利高频开关电源实用新技术M南京南京航天航空大学出版社南京2马昌贵开关电源变压器极其磁芯的发展J磁性材料与器件,VOL30NO619993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3王瑞华脉冲变压器设计M北京科学出版社，19964伊克宁变压器设计原理M北京中国电力出版社，2003指导教师签名系主任签名院长签名（章）武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）高频开关电源是指电压调整功率的器件，是以高频开关方式工作的一种直流稳压电源，它利用高频开关功率器件通过转换技术而制成的高频开关直流稳压电源,简称“开关电源“。现代电源技术是应用电力电子半导体器件、综合自动控制、计算机微处理器技术和电磁技术的多学科交叉技术，在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等的核心技术。由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以下4种发展方向1高频化。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50HZ提高到20KHZ，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5L0。无论是逆变式整流焊机，还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统“整流行业“的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造，成为“开关变换类电源“，其主要材料可以节约90或更高，还可节电30或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。2模块化。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准“功率模块SPM。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化“功率模块IPM，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力表现为过电压、过电流毛刺。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用“功率模块ASPM，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。3数字化。在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰提高抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的，特别是诸如印制版的布图、电磁兼容EMC问题以及功率因数修正PFC等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源，需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。4绿色化。电源系统的绿色化有两层含义先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能或少对电网产生污染，国际电工委员会IEC对此制定了一系列标准，如IEC555、IEC917、IECL000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。这些为2L世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。总而言之，开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着开关电源技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。高频变压器是DC/DC的核心部件，是实现能量转换和传输的主要器件，又是DC/DC要占有者和发热源，随着DC/DC的高频化，变压器的分布参数对电源系统性能的影响变得越来越重要；同时大功率化带来的绝缘和散热问题，也增加了高频变压器的设计难度，并成为影响DC/DC系统的寿命和可靠性的重要因素。因此，高频变压器的优化设计是实现DC/DC高频化和高功率密度化目标的关键。2、基本内容和技术方案高频变压器是DC/DC的核心部件，是实现能量转换和传输的主要器件，又是DC/DC要占有者和发热源，随着DC/DC的高频化，变压器的分布参数对电源系统性能的影响变得越来越重要；同时大功率化带来的绝缘和散热问题，也增加了高频变压器的设计难度，并成为影响DC/DC系统的寿命和可靠性的重要因素。因此高频变压器的优化设计已成为DC/DC高频化和高功率密度化的关键，而要实现高频变压器的优化设计不仅要从变压器本身出发，选取低损耗、高磁密的磁心材料，合理选取绕组线径和匝数，以减小变压器的重量和体积，还要将变压器的优化和电源系统的优化紧密结合起来。对于本文高频变压器的优化设计的内容可归纳为以下几点1全桥隔离式DC/DC进行分析，了解其工作原理和电路图，并对不同时段的电路情况作出详细的分析；2对变压器的磁芯进行比较，分析影响变压器性能的各项参数，选择DC/DC所需要的磁芯；3了解变压器的原理，分析变压器绕组和磁芯的损耗以及其变压器性能的影响，对变压器的设计做初步的分析；4根据所给参数计算变压器的各项参数，从而实现对变压器的优化设计3、进度安排第12周毕业实习，撰写毕业实习报告；第34周翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告；第5周确定最终方案，并进行可行性分析；第68周硬件设计及程序代码编制；第9周中期检查；第1011周综合调试，根据结果完善系统；第1214周完成论文撰写；第15周论文答辩；第16周论文装订4、指导教师意见乔腾飞同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。指导教师签名年月日目录摘要1ABSTRACT21绪论311本课题的研究背景和意义312国内外研究现状413本文研究的主要内容62全桥隔离式DC/DC的工作原理721电路组成和工作原理7211电路组成7212工作原理73高频变压器的工作原理及特性分析1131工作原理及分类11311变压器的结构11312变压器的原理12313变压器的负载运行和电流变换13313变压器的分类1432高变压器磁芯分析15321软磁材料的发展历程15322DC/DC对磁心材料的要求16323磁心损耗特性1833高频开关电源变压器绕组分析18331绕组损耗18332绕组结构194桥式DC/DC高频变压器的优化设计22411影响变压器效率的因素2242135KW全桥隔离型DC/DC用高频变压器的参数设计24结束语28参考文献29致谢31摘要随着电源技术的不断发展，高频化和高功率密度化已成为DC/DC系统的研究方向和发展趋势。变压器是DC/DC的核心部件，并且随着频率和功率的不断提高，其对整个系统的性能产生影响也日益重要。因此，大功率高频率变压器的优化设计是实现DC/DC系统的发展目标的关键。本文针对大功率高频变压器进行优化设计，寻求高频变压器的优化设计方法。首先文本分析了DC/DC的工作原理，比较了不同矩形比磁芯材料在该工作状态下磁通密度的工作范围，为高频变压器磁芯材料选取提供了指导原则。然后在对变压器磁芯和绕MB组进行详细分析的基础上，分析了变压器损耗，分布参数，体积和重量的计算程序，从解析角度出发，初步实现了高频变压器的优化设计。并对35KW全桥隔离型DC/DC用高频变压器进行优化设计。关键字DC/DC高频变压器；大功率；优化设计ABSTRACTWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFPOWERTECHNOLOGY,HIGHFREQUENCYANDHIGHPOWERDENSITYHAVEBECOMETHEDC/DCSYSTEMSRESEARCHDIRECTIONANDTHETRENDOFDEVELOPMENTTRANSFORMERISDC/DCCORECOMPONENTS,ANDWITHTHERISINGFREQUENCYANDPOWER,ITSIMPACTONOVERALLSYSTEMPERFORMANCEISALSOMOREANDMOREIMPORTANTTHEREFORE,HIGHPOWERANDHIGHFREQUENCYTRANSFORMEROPTIMIZATIONDESIGNISTHEKEYTOACHIEVEDC/DCSYSTEMDEVELOPMENTTHISARTICLECARRIESONTHEOPTIMIZATIONDESIGNINVIEWOFTHEHIGHEFFICIENCYHIGHFREQUENCYTRANSFORMER,SEEKSHIGHFREQUENCYTRANSFORMERSOPTIMIZATIONDESIGNMETHODFIRST,THEARTICLEHASANALYZEDTHEWORKPRINCIPLEOFPWMPATTERNANDCOMPAREDOPERATINGREGIONOFMAGNETICFLUXDENSITYWITHTHEDIFFERENTRECTANGLEPROPORTIONOFTHEMAGNETICCOREMATERIALUNDERTHISACTIVESTATUS,PROVIDINGTHEGUIDINGPRINCIPLEOFTHESELECTIONOFTHEMAGNETICCOREMATERIALOFHIGHFREQUENCYTRANSFORMERTHENONTHEBASISOFDETAILEDANALYSISINTHETRANSFORMERCOREANDWINDINGS,THEARTICLEANALYZESTHETRANSFORMERLOSS,THEDISTRIBUTIONPARAMETERS,VOLUMEANDWEIGHTOFTHECOMPUTERPROGRAMFROMTHEANALYTICALPOINTOFVIEW,ITHASREALIZEDHIGHFREQUENCYTRANSFORMERSOPTIMIZATIONDESIGNINITIALLYANDITCARRIESONTHEOPTIMIZATIONDESIGNTO35KWANDFULLBRIDGEISOLATEDDC/DCHIGHFREQUENCYTRANSFORMERKEYWORDSDC/DCHIGHFREQUENCYTRANSFORMERHIGHPOWEROPTIMALDESIGN1绪论11本课题的研究背景和意义高频开关电源是指电压调整功率的器件，是以高频开关方式工作的一种直流稳压电源,它利用高频开关功率器件通过转换技术而制成的高频开关直流稳压电源，简称“开关电源“。现代电源技术是应用电力电子半导体器件、综合自动控制、计算机微处理器技术和电磁技术的多学科交叉技术，在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等的核心技术。由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以下4种发展方向1高频化。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50HZ提高到20KHZ，提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5L0。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统“整流行业“的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源“，其主要材料可以节约90或更高，还可节电30或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。2模块化。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准“功率模块SPM。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化“功率模块IPM，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力表现为过电压、过电流毛刺。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用“功率模块ASPM，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。3数字化。在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰提高抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的，特别是诸如印制版的布图、电磁兼容EMC问题以及功率因数修正PFC等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。4绿色化。电源系统的绿色化有两层含义首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能或少对电网产生污染，国际电工委员会IEC对此制定了一系列标准，如IEC555、IEC917、IECL000等。事实上，许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。这些为2L世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。总而言之,开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着开关电源技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋。因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。高频变压器是DC/DC的核心部件，是实现能量转换和传输的主要器件，又是DC/DC要占有者和发热源，随着DC/DC的高频化，变压器的分布参数对电源系统性能的影响变得越来越重要；同时大功率化带来的绝缘和散热问题，也增加了高频变压器的设计难度，并成为影响DC/DC系统的寿命和可靠性的重要因素。因此，高频变压器的优化设计是实现DC/DC高频化和高功率密度化目标的关键12。12国内外研究现状1980年以前，DC/DC转换器的开关频率为2050KHZ，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3；八十年代国外DC/DC频率就已经在110MHZ；二十世纪末期，国外DC/DC的功率也迅速得到提高，1030KW的大功率DC/DC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140KW开关电源4。目前国外053MHZ的高频DC/DC已实用化56，200500KHZ已成为输出100W以下DC/DC的标准开关频率，开关电源的功率密度己向120W/的目标发展3。3INDC/DC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7，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对于谐振式变换器来说，可以对变压器中的分布参数加以吸收或利用，全部作为谐振参数或其中的一部分，且解决了减小漏感和保证绝缘强度这一矛盾，因此在这种工作模式下，需要准确预测漏感和分布电容的值，以满足电源系统对谐振参数的要求。可见在高频化和高功率密度化的过程中，变压器的优化设计关键在于解决以下问题合理选取高频磁性材料和磁心绕组的结构；准确计算磁心和绕组损耗；准确计算高频变压器漏感和分布电容；合理设计冷却系统。高频变压器中最常用的软磁材料有铁氧体、坡莫合金和非晶态合金。软磁材料在工业中的应用始于19世纪末，20世纪20年代出现了坡莫合金，40年代生产出了软磁铁氧体材料，进入70年代又兴起了非晶态软磁合金和纳米晶材料8。各种磁性材料均有其特点和最佳应用环境，因此进行高频变压器设计的首要问题是根据磁心的工作条件选取最佳的磁性材料。高频变压器参数的计算方法可分为两类一类是解析法，一类是数值模拟。1966年DOWELL提出了著名的DOWELL模型，用于计算交流电阻与直流电阻之间的换算系数9。用这一模型可以方便计算绕组的高频损耗，此后众多学者又通过引入修正系数的方式对DOWELL模型做了修改和发展1011。1892年STEINMETZ提出了著名的用于计算磁心损耗的经验公式，该经验公式中的参数由磁心在若干频率和磁密点下的损耗测量值经曲线拟合得到。在此基础上，MULDER等人分别考虑了温度和非正弦电压波形对磁心损耗的影响，对STEINMETZ公式进行了修改和推广1213。此后，众多企业和科研机构分别对纳米晶合金软磁材料的损耗进行了分析，并拟合出不同频率范围下纳米晶合金的STEINMETZ公式14。近年来高频变压器中分布参数的解析求解成为众多学者研究的热点，其解析公式是根据变压器中漏磁场和静电场中所存的能量通过理论推导得出的，目前已存在不同磁心结构和绕组结构下的漏感计算公式1516。高频变压器中分布电容的建模方法可归结为两类第一类是从静电场的角度将双绕组变压器视为三端口系统，在变压器等效电路中引入六个电容来表示分布电容，它们可以通过静电场中储存的能量计算出来；第二类从分布电容对变压器带来的物理效应出发，将分布电容等效为三个集总电容构成的万形网络，这三个集总电容可进一步简化为一个并联电容，这两类模型均有相应的计算公式和测量方法。目前，利用数值模拟方法设计高频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，其目标是得到一些指导性的设计原则。后者更适于采用三维分析，目标是得到高频变压器设计中某些不易计算量的精确值，最终达到在一定程度上替代实验的目的。常用的变压器数值模拟方法有有限差分法、有限元法、边界元法等，可以有效地分析绕组中的高频效应、绕组损耗、变压器电磁场分布、分布参数和温升等17。二十世纪六十年代以来，求解电磁场的各种数值方法迅速发展起来。有限差分法因其数学概念简单、形成系数矩阵方便，最早应用于电磁场计算，至六十年代末，已有比较成熟的分析变压器漏磁场的二维有限差分程序。但有限差分法的规则网格不能满意地模拟几何形状复杂的问题，因此该方法在电磁场分析中的应用逐渐被有限元法代替。二十世纪七十年代，有限元法逐渐发展起来，并因网格剖分灵活、数值稳定性好等特点很快成为计算电磁场问题的主要方法。DAI有限元方法，研究了绕组间隙及初级绕组的宽度对边缘效应的影响，得出漏感随绕组间隙增大而单调递增的结论18；LAYERS有限元方法，研究了变压器的铜损与电流波形的关系，通过大量分析指出波形对绕组的交流电阻有很大的影响191；TENYENHUIS等人通过二维有限元分析，研究了变压器的温升20，21把有限分析推广至3D，更适于解决复杂的边界结构和材料性质的不连续问题。国内众多学者也分别采用有限元法对高频变压器的设计进行了研究，如赵争菡等人使用MATLAB的电场分布进行了的二维有限元分析，进而根据电场能计算了分布电容的值22；电子科技大学的姬海宁等人对开关电源变压器磁心漏磁场进行了三维定性分析，并对磁心表面温升进行了三维仿真研究2324。13本文研究的主要内容高频变压器的优化设计已成为DC/DC高频化和高功率密度化的关键，而要实现高频变压器的优化设计不仅要从变压器本身出发，选取低损耗、高磁密的磁心材料，合理选取绕组线径和匝数，以减小变压器的重量和体积，还要将变压器的优化和电源系统的优化紧密结合起来。对于本文高频变压器的优化设计的内容可归纳为以下几点1全桥隔离式DC/DC进行分析，了解其工作原理和电路图，并对不同时段的电路情况作出详细的分析；2对变压器的磁芯进行比较，分析影响变压器性能的各项参数，选择DC/DC所需要的磁芯；3了解变压器的原理，分析变压器绕组和磁芯的损耗以及其变压器性能的影响，对变压器的设计做初步的分析；4根据所给参数计算变压器的各项参数，从而实现对变压器的优化设计。2全桥隔离式DC/DC的工作原理全桥变换器因功率管的不一致性以及驱动电路的分散性，容易使高频变压器原边的正负脉冲电压不对称，产生直流偏磁，若不采取措施加以抑制，长时间工作，变压器磁芯会饱和，使功率开关管损坏。为此，可采用峰值电流控制模式抑制变压器的直流偏磁，这种方法虽然有效，但电路抗干扰性能差，对噪声敏感，且容易使电路振荡，一般情况下不采用这样控制模式。通常，在采用电压模式控制的全桥变换器中，在变压器原边串联一无极性的电容，滤除引起变压器直流偏磁的直流电压，从而达到抑制直流偏磁的目的。21电路组成和工作原理211电路组成全桥隔离式DC/DC是利用功率开关管的寄生电容或外接电容和变压器的漏感或原边串联电感作为谐振元件四个开关管实现零电压开通和零电压关断（也称准零电压关断），其电路结构如图21所示。图21全桥式DC/DC变换器的主电路图图21中，FUELCELL是直流输入电压；Q1Q4是四个主功率开关管；D1和C1C2分别是Q1Q4的反并联二极管和并联电容；LIK是变压器原边串联的谐振电感，包括变压器的漏感；CG是原边隔直电容，用以防止变压器直流偏磁现象发生；T1为高频变压器；D5,D6是副边整流二极管；LO1和CO分别是输出滤波电感和滤波电容；LOAD是负载212工作原理在一个开关周期中，全桥变换器可分8中工作模式，再次我们只分析2个工作模式，在分析之前，假设1；12LEADC2，N为变压器原，副边变比；1OKL3变压器励磁电流；0MI4开关管导通压降为零。A工作模式1时段，时刻，原边电流反向增加到0隔直电容电压达到负的最大值0T0TPI时刻之后，由0开始正向增加，电流通路为。CBPVPI14KBININVQLCV此时段内，增加，副边绕组1的电流毛也在增加，但因此副边整流二极管珧在PISI导通续流，变压器副边绕组被短路，导致原边绕组电压也为零。此时，和ABINAB直接作用在谐振电感三上，有CB1KL211PTKINCBDVT22CPBTVITC解式21和22，并代入初始条件，得0IT0CCBPV231OSCBINIBPVVWT241INICPTZ在时刻时刻，上升，整流二流管管断，此工作模式1TPI1I51DLITNITIT6D结束。参考图22，可知，由式（24）得此工作模式持续时间/2LTI为2511SINOICBPIZTVV设时刻，将式（25）代入式（23）中得1T1CBVTV262111CBINICBPVTIZ考虑到，因此上式可写为221INCBPIZ2711CBCBPVVT联立方程（21）和（27）并代入条件得2801/2LINCBPITVB工作模式2时段，时刻Q1管断，原边电流从Q1中转移到C1和C2支路中，给C12T3T充电，C2放电。因电容电压不能突变，Q1实现准零电压管断。电流流通回路为，在这个时段，的电压电流为1INVC214KBINLCQV1C2（292CTICVVT21011CDT21122CCVICT将（29）代入（210）得21221CCDVTI由KCL得，图21中满足21312CCPITTI将式（211）代入（212）中得214221CCPDVTTCIT整理得2152CLEADPVTIT同时，原边电流和隔直电容电压满足PICB21620PECCBITLVTNVVTD217BPCITT由式216和217可看出，此时段电路处于一个很复杂的谐振过程，实际上，考虑到输出滤波LO1很大，课认为在此时段内原边电流基本不变，类似恒流源，因此可PII近似认为电压在作用下线性下降，在的作用下线性上升，既有2CVPICBVPI2182INLEADIVTC2192PCBBIVTTVC在时刻，的电压下降到零，的反并联二极管自然导通，工作模式3结束。3T2C2QD此时，0，变压器原边电压为零,解（219）得该模式的时序实际为ABV22023LEADINPVTI设时候上升到，将式（221）代入（219）得3TCB3V221332LEADINCBBCT从上述分析可知，Q1和Q2的驱动信号死区时间应满足，既23DLEATT222LEADINDLEAPVTI3高频变压器的工作原理及特性分析31工作原理及分类变换电能以及把电能从一个电路传递到另一电路的静止电磁装置称为变压器，世界上第一台变压器在1885匈牙利。在交流电路中，借助变压器能够变换交流电压、电流和波形。变压器在电子设备中占有很重要的地位，电源设备中交流电压和直流电压几乎都由变压器通过变换整流而获得。在电路的隔离、匹配及阻抗变换等方面绝大多数是通过变压器来实现的。变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件，它具有变压、变流和变阻抗的作用。变压器的种类很多，应用十分广泛。比如在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高后进行远距离输电，到达目的地后再用变压器把电压降低以便用户使用，以此减少传输过程中电能的损耗；在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器改变市电电压,再通过整流和滤波，得到电路所需要的直流电压；在放大电路中用耦合变压器传递信号或进行阻抗的匹配等等。变压器虽然大小悬殊，用途各异,但其基本结构和工作原理却是相同的。311变压器的结构变压器由铁心和绕组两个基本部分组成，如图31所示，在一个闭合的铁心上套有两个绕组，绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。图31变压器变压器的铁心由03505MM厚的硅钢片交错叠装而成，图32为几种常见的铁心形状。绕组一般采用绝缘铜线或铝线绕制，其中与电源相连的绕组称为原绕组（或称为原边、初级）；与负载相连的绕组称为副绕组（或称为副边、次级）。按铁心和绕组的组合结构可分为心式变压器和壳式变压器，如图33所示。心式变压器的铁心被绕组包围，而壳式变压器的铁心则包围绕组。图32变压器的铁芯图33变压器的结构形式312变压器的原理空载运行和电压变换如图34所示,将变压器的原边接在交流电压上,副边开路,1U这种运行状态称为空载运行。此时副绕组中的电流0,电压为开路电压,原绕组通2I20过的电流为空载电流,电压和电流的参考方向如图所示。图中为原绕组的匝数，10I1N2N为副绕组的匝数。图34变压器的空载运行副边开路时,通过原边的空载电流就是励磁电流。磁动势在铁心中产生的主磁2I10IN通既穿过原绕组,也穿过副绕组,于是在原、副绕组中分别感应出电动势和。且1E2和与的参考方向之间符合右手螺旋定则,由法拉第电磁感应定律可得1E2311DENT322T和的有效值分别为1E233114MEFN3422式中F交流电源的频率,为主磁通的最大值。M如果忽略漏磁通的影响并且不考虑绕组上电阻的压降时,可认为原、副绕组上电动势的有效值近似等于原、副绕组上电压的有效值,即351UE362因此3711120224MFNKE由式37可见，变压器空载运行时，原、副绕组上电压的比值等于两者的匝数之比，K称为变压器的变比。若改变变压器原、副绕组的匝数，就能够把某一数值的交流电压变为同频率的另一数值的交流电压。382011NUK当原绕组的匝数比副绕组的匝数多时,K1，这种变压器为降压变压器；反之，1N2当的匝数少于的匝数时，K1507050812200515415250320560730400550410480510电阻率CM140125140905055106密度3/GC718758072576588848硬度/2HM860640900880120600饱和磁致伸缩系数1062030120122702514初始导磁率1000400030000800001000100002000最大导磁率20000020000020000020000010000200000322DC/DC对磁心材料的要求高频变压器是DC/DC系统的核心部件，其设计对整个电源系统的体积、功率容量和变换效率都非常重要。因此，高频变压器的设计必须满足下面一系列的限制条件（1）变压器的容量必须满足电源系统输出功率的要求（2）变压器最大损耗条件下，电源系统仍能达到最低效率要求（3）变压器的体积须符合所允许占用空间的限制要求（4）在特定的散热环境下，变压器的最高温升须低于磁心及绝缘材料正常工作规定的最高温度。（5）满足电源系统的重量要求。为满足上述要求，高频变压器的设计者必须熟悉磁性材料的磁化过程，掌握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。选取磁心材料需考虑的参数有材料的饱和磁感应强度、磁导率、高频损耗、居里温度、温度稳定性和矩形比等。高频变压器磁心材料的选取与变压器工作电压波形、工作频率、输出功率及使用环境等因素密切相关，下面分别阐述高频变压器对磁性材料参数的要求。1饱和磁感应强度高频变压器要求磁心材料有高的饱和磁感应强度。由电磁感应定律可知SB，高，则可选择高的工作磁感应强度，在相同的感应电压下可减小磁MTENBSFKSM心截面积，故磁心的体积小，或者减少线圈匝数，从而减小变压器铜损。A导率要求磁心材料有高的磁导率。磁感应强度，因此对要求一定磁通量的磁BH性器件，选用值高的材料，就可以降低激励磁H所需的励磁电流，从而降低磁心的体积。B损耗高频变压器的磁心损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发热，波形畸变等不良后果。为减小磁滞损耗，要求磁性材料的矫顽力小；为减小涡流损耗，要求减C薄磁性材料的厚度，提高材料的电阻率。同时，希望磁性材料的功耗有负温度特性，即损耗随温度上升呈下降趋势（在20C100C范围内）。这是因为若磁性功耗呈现正温度特性，损耗随温度升高而变大，损耗增大又导致温度继续上升，会形成恶性循环。因此，磁性材料功耗的负温度特性可以有效防止温升造成的磁性能下降。具有负温度特性功耗的代表性产品有TDK的PC30、德国西门子的N27和荷兰飞利浦的3C80等铁氧体磁心。C居里温度和温度稳定性居里温度表示磁性材料失去磁特性的温度，高频变压器要求磁心材料有较高的居里温度。同时希望材料的磁性能具有较好的温度稳定性，即材料的饱和磁感应强度、磁导率等不随温度变化而显著变化。D矩形比磁性材料的矩形比定义为最大剩磁与饱和磁感应强度之比，即。磁性材料的矩/RSB形比相差很大，如非晶软磁合金最高矩形比可达到0995以上，而低矩形比只有008左右。磁性材料矩形比的选择取决于磁性器件的应用领域和磁心的工作状态。如磁开关、磁存储材料和双极性脉冲变压器要求材料有高的矩形比，单极性脉冲变压器对矩形比的要求根据磁心是否加去磁电路而有所不同，不加去磁电路的磁心要求材料有低的矩形比，加去磁电路的磁心要求材料有高的矩形比。DC/DC磁性材料矩形比的选取决定了磁心磁感应强度的工作范围，因此选择合适的矩形比对变压器磁心的设计非常关键。DC/DC的磁心对矩形比的要求不仅要考虑电路的拓扑结构，还要考虑磁心的初始工作状态。323磁心损耗特性结合前几章分析，选用综合性能最佳的低矩形比的纳米晶合金作为高频变压器的磁心材料。传统软磁材料，如硅钢和铁氧体，其损耗可根据损耗分离原则分解为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗的叠加，三种损耗均有各自的理论公式，从而可以建立传HPERP统软磁材料的损耗预测模型，然而这种模型并不适用于纳米晶软磁合金。为建立纳米晶材料的高频损耗模型，在和范围内对纳米晶的损耗进行201FKHZ01MBT了测量，对所测数据采用三维拟合方法，得到损耗随和的关系式FEPM31118534697FEMPBF2FKZ312972F01H311,312式中的单位为，单位为KHZ，的单位为。FE3/KWMBT33高频开关电源变压器绕组分析331绕组损耗高频变压器的绕组损耗定义为3132WRDCRMSPKI上式中为绕组的直流电阻，为电流有效值，称为导线的交流DCRRMSI/RACDR电阻系数。由于集肤效应（SKINEFFECT）和邻近效应（PROXIMITYEFFECT）的影响，导线的交流电阻要大于直流电阻，因此，是高频变压器设计过程中的重要参数。R1集肤效应集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。如图310所示，当导线中流过交变电流时，按右手法则将产生离开或进入剖面的磁力线，进而产生涡流。由图可知，涡流的方向加大了导线表面的电流，抵消了导线中心的电流，使得电流只在导线的表面流动，而导线中心却无电流。导线传说直流电流时，电流通过导线截面均匀分布，而传送高频交流电流时，电流则集中于导线表面传送，因而呈现出较大的电阻2526。图36导线集肤效应示意图由于集肤效应，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1/E时所达到的径向深度，称之为集肤深度，早在1915年就推导出了集肤深度与电流的频率、导线的磁导率及电阻率之间的关系式F314F2邻近效应相邻导线流过高频电流时，由于磁电作用使电流偏向一边的特性，称为邻近效应。当导线被分成几层绕制时，由于邻近效应的影响，电流集中在绕组交界面间流动，因此邻近效应又称为线圈的集肤效应。邻近效应随绕组层数增加而呈指数规律增加，其影响远比趋肤效应影响大2526。DOWELL在1966年提出了著名的DOWELL模型，给出了交流电阻系数的计算公式RK3152/31RKYMMDY其中，为导体厚度（对圆导线，为导线直径，S绕/CYHC084/CHD线中心之间距离）；为100C趋肤深度，为层数7/F316SIN2SICOHYY317IINSCOSDY332绕组结构按初次级绕组分布位置的不同，变压器绕组结构一般可分为简单绕制初/次级交替分层绕制和初次级均交替分层绕制三种。分别如图37、38、39所示。图37简单结构图38初级交替分层图39初、次级交替分层采用简单结构绕制时，绕组排列顺序可以是或；采用初级交替分PNSPN层方法绕制时，绕组排列顺序可以是/2/2或/2/2；采用初、PSS次级交替分层方法绕制时，绕组排列顺序可以是/2/2/2/2或/2PSPS/2/2/2。采用初次级交替分层方法绕制可以降低变压器漏感，但线圈结构复PNSP杂，绕制困难。对于PWM电路下的DC/DC来说，由于变压器初级绕组匝数很少，而且线径较大，变压器漏感可用作谐振电感，故采用简单结构绕制；由于次级匝数较多，并为了减小绕组间的分布电容，对次级采用分段分层绕制。次级层问的连接方式有两种，如图314（A）（B）所示。在相同的层间绝缘间距下，图（A）中绕组的分布电容是图（B）的3/4，但绕组绕制较为复杂，在高频变压器设计中，可根据需要选择合适的层间的连接方式AB图310层间绕组连接4桥式DC/DC高频变压器的优化设计411影响变压器效率的因素1损耗变压器的功率损耗定义为输入功率与输出功率之差，分为两个分量磁心损耗IPO（铁损）和绕组损耗（铜损）。在额定电压运行下，铁损基本不随负载电流变FEPCU1NU化而变化，所以铁损又称为不变损耗；如果忽略励磁电流，铜损就与负载电流的平方成正比，所以又把铜损称为可变损耗。分别对变压器进行空载试验和短路试验，可分别测得变压器在额定电压下的铁损耗和额定负载下的铜损耗。其中铁损在正常工作FENPCUNPFEP条件下保持不变，为铜损则随负载的变化而变化，只有在额定负载下才为，FENCUCUN定义负载系数，其中为负载电流，为次级额定电流，则铜损。2/I2I2NI2C变压器总的损耗可表示为。忽略负载时次级电压的变化，LOSFECUFECU变压器输出有功功率为4122222OSCOSNNNPUIIS式中是为变压器次级额定容量，为变压器的功率因数。2NSCS变压器的效率可定义为，式中是次级输出的有功功率，是初级输入的有功212P1P功率。通过以上分析，变压器的效率可进一步表示为4222221COSNLOSFECUNS最大效率发生在时，（38）式对求导，可得对应的值0DMAX43/FENCUP此时442FEFNCU可见，当变压器的铁损等于铜损时效率最高27。变压器的效率与负载系数的关系曲线见图41。图41变压器的效率与负载系数的关系曲线2分布参数高频变压器的分布参数有漏感和分布电容，高频下分布参数对开关电源的性能有重要的影响。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；对于谐振式变换器来说，可以对变压器中的分布参数加以吸收或利用，全部作为谐振参数或其中的一部分，因此在这种工作模式下，需要准确设计漏感和分布电容的值在规则的磁心和绕组结构下，如环形和矩形磁心、同轴圆筒式绕组，目前已存在漏感和分布电容的解析公式。对于漏感，在同轴圆筒式绕组情况下，若线圈的高度远大于层间距离，线圈类似于长螺线管，并假设线圈中的磁场均匀分布，且所有的磁场能量都集中在线圈内部，则有45211201220,3MMSKKNPDLFH其中为变压器折算到初级的总漏感；为初级绕组匝数；为绕组平均匝长；S1NP为绕组高度；为初次级绕组绝缘间距；为次级绕组层间间距；为初级绕组线H122K1D径；为初级绕组线径；为次级绕组层数；2KDM462131FKM减小高频变压器漏感可采用以下措施A减小绕组匝数，减小绕组厚度，增加绕组高度B尽可能减小绕组间绝缘间距；C初次级绕组在磁心上均匀绕制；D初次级采用交替分层绕制。对于分布电容，同样在同轴圆筒式绕组情况下，当绕组均紧密绕制时，可将线圈展开等效成平行平板，利用平板电容器电容的计算方法，可近似计算变压器中的分布电容。当多层绕组的层间连接采用314A方式时，则有47210212243MRRKPHNCN其中为变压器折算到初级的总分布电容，为变压器变比为真空介电R1/N0常数为绝缘材料相对介电常数为初级绕组与磁心间的绝缘间距其它参数见式415。减小高频变压器分布电容可采用以下措施A适当增加绕组间绝缘间距，采用介电常数小的绝缘材料；B尽可能减小初次级绕组对应面积；C当绕组匝数较多时，可采用分段分层绕制；D采用合适的绕组层间连接方式。通过以上分析可以看出，同时减小变压器的漏感和分布电容是矛盾的。在高频变压器的设计中，应根据不同的工作要求，保证合适的漏感和分布电容。3温升在变压器工作过程中，铁心和绕组中的损耗产生热量，使变压器相应部位温度升高，并且这些热量通过辐射和对流方式传递到