单极式、双极式开关电源变压器的应用分析

I毕业设计（论文）题目单极式、双极式开关电源变压器的应用分析院系电气与电子工程学院专业班级通信0903班学生姓名马鹏程指导教师杨慧娜二一三年六月华北电力大学本科毕业设计（论文）I摘要结合电磁理论知识，基于电网电源实际应用情况，对单极式、双极式开关电源变压器进行对比分析，讨论其研究背景并简述其应用现状。对开关电源变压器的磁性材料进行分析，讨论各种材料的特点，并对变压器的核心元器件进行详细介绍。实例设计单端反激式开关电源变压器，分析各项参数，给出计算公式，提出关键材料的选择优先级及挑选原则。结合实际因素，对参数进行详细计算，讨论忽略范围，系统地给出变压器的设计步骤。最后总结设计方法，并分析设计结果。分析电力技术及电子设备的发展趋势，对开关电源变压器的发展前景做出预测。关键词开关电源，变压器，单端反激式华北电力大学本科毕业设计（论文）IIABSTRACTBASEDONTHEACTUALAPPLICATIONSTATUSOFPOWERGRIDCURRENTSOURCE,COMBINEDWITHTHEKNOWLEDGEOFELECTROMAGNETICTHEORY,MAKEACOMPARATIVEANALYSISOFMONOPOLAR,BIPOLARSWITCHINGPOWERSUPPLYTRANSFORMERMAKEADISCUSSIONABOUTITSSTUDYBACKGROUND,ANDSKETCHITSAPPLICATIONSTATUSANALYZETHEMAGNETICMATERIALOFSWITCHINGMODEPOWERSUPPLYTRANSFORMERANDITSCHARACTERISTICMAKEADETAILEDINTRODUCTIONOFTHECORECOMPONENTSOFTRANSFORMERDESIGNASINGLEENDEDFLYBACKSWITCHINGPOWERSUPPLYTRANSFORMERMAKEADETAILEDANALYSISABOUTTHEPARAMETERSTHENGIVETHEFORMULATHATWILLBEUSEDPROPOSETHEPRIORITYOFTHEKEYMATERIALSANDITSPRINCIPLECOMBINEDTHEACTUALSITUATION,DISCUSSABOUTTHERANGEOFERRORANDPROPOSETHEDESIGNINGSTEPSMAKEASUMMARIZEOFTHEDESIGNINGMETHODATLASTANALYZETHEDESIGNINGRESULTSACCORDINGTOTHETRADEOFTHEPOWERELECTRONICEQUIPMENT,MAKEAPREDICTIONABOUTTHEDEVELOPMENTOFTRANSFORMERKEYWORDSSWITCHINGPOWERSUPPLY,TRANSFORMER,SINGLEENDEDFLYBACK华北电力大学本科毕业设计（论文）目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111开关电源变压器研究背景、意义及其应用状况1111开关电源变压器研究背景和意义1112开关电源变压器的应用状况112开关电源变压器的国内外研究现状2121国外研究现状2122国内研究现状213本文主要工作3第2章开关电源变压器特性分析421开关电源变压器的定义422开关电源变压器的分类423开关电源变压器的组成424开关电压器设计一般问题5241变压器功能5242电路拓扑525单极式、双极式开关电源变压器的对比分析6251单极式开关电源变压器6252双极式开关电源变压器6253单极式、双极式开关电源变压器应用场合的区别626本章小结7第3章磁芯材料的分析831概述8311饱和磁感应强度BS9312剩余磁感应强度BR9313振幅磁导率9314比损耗10315增量磁导率1032铁氧体材料10321铁氧体材料特性10322铁氧体磁芯11第4章单极式开关电源变压器设计实例1341基本电路1342单端反激式变压器的等效电路和其电压电流波形1343临界电感1444单端反激式开关电源变压器的设计15441计算变压器的初、次级电压15442变压器工作比15443匝数比16444初级电感17445计算初级峰值电流17446计算各级绕组的有效电流17华北电力大学本科毕业设计（论文）447确认磁芯大小18448计算其空气隙长度LG19449计算绕组的匝数值194410确认导线规格204411校核窗口和线圈结构计算204412计算损耗224413温升计算2245单端反激式开关电源变压器的设计实例23451变压器初、次级电压计算23452计算变压器工作比24453计算匝数比24454计算初级电感24455计算初级峰值电流24456各绕组有效电流24457确定磁芯尺寸24458计算空气隙长度25459绕组匝数计算254510确定导线规格254511线圈结构计算254512损耗计算264513温升计算26第5章结论与展望2751结论2752展望27参考文献28致谢28华北电力大学本科毕业设计（论文）1第1章绪论11开关电源变压器研究背景、意义及其应用状况111开关电源变压器研究背景和意义随着我国经济的不断发展，电网规模也发生了翻天覆地的变化。对于采用电网电源来进行供电的电子类设备，对电源就有了新的要求。由于电路工作状态的变化和电网电压的波动，就必须要求电网提供的直流电源具备适应负载变化和电网波动的双重特点。因此而发展起来的直流稳压电源继而成为了电子类设备电路中的一个极其重要的组成部分。伴随着一些新技术的发展，如表面安装技术。以及片状电子元件和大规模集成电路的发展，电子类设备的趋势是更加的小型化和轻量化。所以用何种方式来缩小电源体积，减轻电源重量以及提高电源的转换效率，进一步增强用电设备对电网电压的适应能力，是我们探索研究的重点。开关电源指用高频变压器代替工频变压器，利用脉冲调制技术的（PWM）直流直流DCDC变换型稳压电源。它具备以下特点效率高、管耗小、稳压范围小、重量轻、体积小等，取得了人们的关注，进而得到了迅速的发展。开关功率型变换器中的关键性器件即开关电源变压器，它的作用有以下三点电压变换、能量转化、绝对隔离。经过开关晶体管的作用，在开关电源变压器上施加由直流电转变而成的方波电压，再经过由开关电源变压器帮助进行的电磁转换，输出人们所需求的电压，并将所需功率传递于负载。因为开关电源变压器的特点是有很高的工作频率，所以它的重量和体积都比工频电源变压器的小。开关电源变压器自身的效率和发热也受到了变压器性能好坏的影响，同时还会影响到开关电源的可靠性，以及它的技术性能。所以，选择合适的磁芯材料和恰当的磁芯形状，精确地确定电磁参量，合理地配置和绕制线圈都是设计并制作开关电源变压器时要仔细考虑的因素。优秀的开关电源变压器是对设备的保障，也是提升国家电网供电效率的关键，优化设计合理的开关电源变压器也有着很大的意义。112开关电源变压器的应用状况目前，开关电源已经成功应用在各行各业。例如大到航空和宇宙飞行器、小到工作生活中的电子计算机、电视机、录像机以及研究所用的发射机等各种电子仪器设备。同时，开关电源的开关功率的研究也取得了骄人的成绩，数量级从原来的几万赫兹迅速发展到现在的数兆赫兹。开关电源变压器则是开关电源中的关键部件，被应用于众多的机电设备中，华北电力大学本科毕业设计（论文）2细致地探讨它们之间的关系，有助于我们学习与了解变压器的内部构造，更有助于维持各设备的性能，同时生产安全性也得到了保障。12开关电源变压器的国内外研究现状121国外研究现状自20世纪90年代以来，世界上许多发达国家的高等学府和著名研究机构就开始了对开关电源的研究和探索。其中，以USA和JAPAN为首的发达国家研究效果十分显著，并且处于领先地位。美国电源集成公司先拔头筹，首先进行研制，并成功地推出了三端隔离式PWM型的单片开关电源，揭开了研究开关电源的序幕。紧随其后的是一些高校和军方研究单位，他们也积极地进行开关电源的研究。1990年，美国弗吉尼亚电力电子中心（VPECOFUSA）的DRFRED成功地研制出1222MHZ、100W开关频率的准谐振型开关变换器，达到了152WCM3的功率密度。该实验室进而研制并推出了完善的多谐振变换器方案，并且拥有完美的数据。它的实验模型可能达到10MHZ的频率，功率密度也可以达到3745WCM3，输入电压介于4555V之间，负载电流处于010A之间，开关频率在25MHZ到385MHZ范围内，效率为80到83。在峰值功率这一方面，弗吉尼亚电力电子中心做到152KW。而它自从问世以来，就显示出强大的生命力，良好的发展前景和巨大的影响力。紧随其后是日本的原田研究室，他们在1991年利用E类谐振变换技术，取得了新的突破，研制成功了15MHZ、40W效率为83和14MHZ、12W效率为92的直DCDC电源模块的变换器，同时利用反激ZVSQRC技术，在大功率方面做出了5KW功率的开关稳定电源。继日本之后，90年代中期，德国的西门子公司研究室研制成功的大功率密度开关电源则是利用了功率铁氧体磁芯，采用了ERL80大尺寸铁氧体磁芯，研制成功的开关电源功率达100KW。在理论研究方面有代表性的是美国加州理工学院，他们对准谐振开关变换器仔细的研究，提出了综合分析的一般性方法，很具有代表性。在市场方面，国外的众多电子产品占据市场的主流，引导着开关电源变压器的发展方向。122国内研究现状相对于国外发达国家，国内从90年代后期才进入初步发展期，研究开关电源及开关电源变压器起步较晚，技术也并非一流，与发达国家差距较大。我国通过研究国外的先进技术，在做出评估后，首先引进了AUSTRALIA技术，开发的高频开关电源数据是40V110A（开关频率是20KHZ和40V55A开关频率是40KHZ。在当时而言，是我国先进的开关电源变压器。紧接着，我国积极派相关专业人员参加各种国际性的大型学术会议，来广泛的华北电力大学本科毕业设计（论文）3吸收国外的先进技术，去粗取精；同时在国内开发自己的开关电源变压器。国内一些通信公司也相继推出系列产品。中兴通讯等大型通信公司利用自己技术的超前性，占据了相当大的市场，也已经形成规模，同时也得到了大众的广泛认同，在国际电源及其变压器市场竞争中也占一席之地，并有少量开始出口。而国内许多高校和研究单位通过不断的实验和创新，在开关电源变压器的理论方面做了大量的工作，并取得了突破性进展。首推清华大学研究的动态优化设计问题。而作为电子行业的领头羊，电子科技大学也利用自己独特的优越性和权威性，在数学建模、仿真设计、还有拓扑结构这些方面跟踪研究，取得了不错的成绩。虽然我国的起步较晚，但是发展飞速，研究成果也十分突出，逐渐在世界的大舞台上占据一席之地。所以说进一步研究高频开关电源变压器和它的应用是科技的需求，也是产业的需求。进入二十一世纪，我国经济不断腾飞，也逐渐成为世界第二大经济体，电力电子技术也在不断发展与创新，使开关电源所在行业有着相当广阔的发展前景。而提升我国开关电源产业的世界竞争力，就要走科技创新之路，将有中国特色的产、学、研加强，壮大，为加快我国的经济发展速度、提升国民生活水平做出应有贡献。13本文主要工作首先，本文对当前国、内外单极式、双极式开关电源变压器的应用现状进行分析，总结；其次，研究并探讨单极式、双极式开关电源变压器的设计方法，并进行实例设计；最后，对单极式、双极式开关电源变压器的应用做出对比论述。华北电力大学本科毕业设计（论文）4第2章开关电源变压器特性分析21开关电源变压器的定义开关电源变压器是指加入了开关管的电源变压器。在电路中，开关电源变压器除了具备普通变压器的电压变换功能，还有功率传送与绝缘隔离功能。在涉及高频电路的场合，开关电源变压器应用较多。在开关电源中，变压器是作为转换、储能、和隔离所必须的元件，它的构成其实很简单，由绕组和磁芯两部分构成。但是在制作变压器时，合理选材会影响到变压器的性能，继而影响到设备的散热效果，工作效率等指标。对变压器而言，需要考虑磁芯材料的选择，磁芯和线圈结构的设计，以及如何绕制线圈。这都是制作过程中的关键因素。单从绕组来说，通常情况下，采用传导性良好的铜导线进行绕制。如果开关电源不同，电源的电压和电流大小不同，绕制的方法也各异。讲到磁芯，磁芯是一个变压器中最核心的元件，占据着重要的地位，一个变压器能不能发挥作用，关键在于选择合适的磁芯。22开关电源变压器的分类简单来讲，开关电源变压器分为两种单极式开关电源变压器和双极式开关电源变压器。两种开关电源变压器的工作原理和结构并不相同。其中，单极式开关电源变压器的特点是由单极性脉冲作为输入电压，并且分为正反激电压输出；而双极式开关电源变压器则由双极性脉冲作为输入电压，输出则一般是双极性脉冲电压。由于俩种电压器输入输出电压的区别，应用的场合也会不同，制作工艺，制作过程中的难易程度也有区别，这在下文中将给予适当的讨论。23开关电源变压器的组成组成开关电源变压器的部件主要有三部分磁性材料、绝缘材料和导线材料。它们是开关变压器的核心。磁性材料大部分开关变压器所应用的磁性材料是软磁铁氧体,按它的成分和应用频率可以分为俩大类MNZN系和NIZN系。MNZN系拥有很高的饱和磁感应和高的导磁率，在低频和中频范围内具有较低的损耗。磁芯的形状分很多种,例如EI型、EC型、E型等等。导线材料漆包线用来绕制较小型电子变压器的漆包线一般有聚氨酯漆包线QA和高强度聚酯漆包线QZ两种。根据漆层厚度的不同可以分为1型薄漆型与2型厚漆型华北电力大学本科毕业设计（论文）5两种。薄漆型用的绝缘涂层是聚酯漆,它具有优良的耐热性,并且绝缘性抗电强度可以达到60KV/MM而厚漆型绝缘层则为聚氨酯漆,它具备自粘性强的特点,并且有自焊性能380C,不用去漆膜就可直接焊接，方便实用。压敏胶带由于绝缘胶带的抗电强度相对于一般的胶带而言比较高,使用起来就很方便并且机械性能优良,因此，它被广泛的应用于电网中开关变压器线圈的层间、外包绝缘与组间绝缘。优良的压敏胶带必须具备下列要求抗剥离,粘性好,具备一定的拉伸强度,绝缘性能不错,耐压性能良好,阻燃和耐高温等特性。骨架材料开关变压器的骨架与一般的变压器的骨架相异,除去作为线圈的绝缘材料和支撑材料外,还承担着整个变压器的安装固定与定位的双重作用,因此用来制作骨架选用的材料除了要满足绝缘要求外,还应该有一定的抗拉强度,同时考虑到为了承受引脚的特点耐焊接热,就对骨架材料的热变形温度有所要求，温度要求必须高于200,材料也必须达到阻燃,而且还应该是加工性好,容易于加工成客户所需要的各种形状。24开关电压器设计一般问题241变压器功能功率变压器在开关电源中的主要作用是传输功率。将一个电源的能量瞬时地传输给负载。另外，变压器还提供了其它重要的功能利用改变初级匝比与次级匝比，来获得所需要的输出电压；为获得不同的多路输出电压，增加多个不同匝数的次级，；考虑到安全因素，要求离线供电或低压和高压不能共同接地，变压器可以方便地提供安全隔离。242电路拓扑虽然各种功率电路拓扑结构只适用与一定的范围，但也并不是绝对的，大多数情况下它们之间是相互覆盖的。变压器设计过程中，如何选择电路拓扑，对变压器有着至关重要性的影响。功率范围根据不同电路也会有不同的选择。例如反激电路应用的功率范围是0150W，单端正激变换器则应用在50500W的范围内，半桥式变换器是从100W到1000W，而全桥变压器会应用于500W以上。上面所说的范围也并不是绝对的，实际生活中的产品也会有低压输入的1400W左右的反激变换器。利用率最好的是变压器中的次级桥式整流的全桥和半桥变换器，因为磁芯被双向磁化，而线圈在整个导通时间内都有电流流过，线圈被充分地利用。它带有次级中心抽头，在一个周期的过程中，总会有一个线圈在导通期间内没有电流通过，线圈的利用率和效率就会降低。中心抽头如果是初级和次级，线圈和磁华北电力大学本科毕业设计（论文）6芯的利用率会进一步降低。在电路拓扑中，全部推挽拓扑的优点是在给定了开关频率，相同的纹波、滤波和闭环能力时，线圈和变压器的工作频率会减半，这样就会减少磁芯损耗和交流线圈的损耗。而正激变换器变压器的利用率和效率是最差的，因为无论是从线圈或着磁芯最大工作时间来说，都只有半个周期。25单极式、双极式开关电源变压器的对比分析251单极式开关电源变压器单极性开关电源变压器特点十分明确，它利用一个单向方波脉冲电压作为激励源。常用到的单端正激式变换器与单端反激式变换器都归属于单极性开关电源变压器。当开关变压器工作的时候，在变压器磁芯中的磁通会沿着交流磁滞回线的第一象限部分做上下相位移动。变压器的磁芯受到了单向激磁，这时，磁感应强度的变化范围是从最大值BM到剩磁BR之间，磁芯中也会有直流变化。自习分析单极性开关电源变压器，会发现由于磁芯工作于磁滞回线的单象限，导致磁芯损耗相对较小，大约为双极性开关电源变压器的二分之一。交变磁感应强度为B（BBMBR。为了降低剩磁BR，增大交变磁感应强度B，我们一般选择恒导磁材料，另外还会采取在磁路中增加气隙，这样做会使磁化曲线倾斜，从而降低剩余磁感应强度BR的数值，提高直流工作磁场。252双极式开关电源变压器在研究双极式开关电源变压器时，会发现它有很多种类，比如全桥式、半桥式、推挽式等。双极式开关电源变压器其实是被方波激励的高频变压器，变压器的初级绕组分布在某一个周期的正半周和负半周中，取一个幅值等于导通时间而方向却相反的方波脉冲电压作为输入，会发现变压器的初级绕组在正负半周中的励磁有规律的大小相等、方向相反。所以，在变压器磁芯中产生的磁通的运动轨迹是沿着交流磁滞回线对称的上、下来回移动。磁芯在整个磁滞回线中都会发挥作用。在一个周期中，磁感应强度在正最大值BM和负最大值BM之间变化，磁芯中的直流磁化分量也会发生抵消。253单极式、双极式开关电源变压器应用场合的区别由于单极式开关电源电压器和双极式开关电源变压器在输入电压、输出电压上的区别。他们的应用场合也有所不同。单极式开关电源变压器中最为常见的单端反激式开关电源变压器易于设计，常常被应用于一些小型电器设备中，例如可以用在我们日常生活中的手机华北电力大学本科毕业设计（论文）7充电器中发现它。而单端正激式开关电源变压器也由于重量轻、体积小等优点被应用于各种小型的电子设备中。相对单极式开关电源变压器，双极式开关电源变压器会应用在一些高频场合，应用场合很广。在工业生产，日常生活中，我们就会常常用到双极式开关电源变压器，例如家电设备，交通设备，通信设备等等。在科学实验过程中，我们用到的仪器仪表也会对开关电源变压器有所涉及。可以说，开关电源变压器无处不在，所以，设计更加完美的开关变压器是很有意义的。26本章小结本章节通过研读相关资料和手册，对开关电源变压器的特性进行了分析，仔细探讨了开关电源变压器的分类，各种变压器的区别与应用。另外通过查阅国内外论文，对单极式、双极式开关电源变压器进行了更加细致的研究分析，对他们的应用进行了初步的讨论和总结。为后面开关电源变压器的设计做好了铺垫。华北电力大学本科毕业设计（论文）8第3章磁芯材料的分析31概述在电源设备中，磁性材料性能的好坏对开关电源变压器的性能有着很重要的影响，所以说，在设计开关电源变压器时，恰到好处地选择合适的磁性材料是相当关键的。开关电源变压器的特点是工作频率一般较高，在几万赫兹以上，这就对磁芯材料的要求是，它的磁感应强度要高，在高频下，磁芯损耗要小，也要有好的温度稳定性。另外，开关电源变压器工作在不同状态下，各部件的要求也会随之而发生改变。对应不同工作状态，磁化曲线也会不同，磁芯的工作区域也会发生改变，所选用材料的磁特性也要做出调整，来达到最佳工作状态。此时，由于软磁材料应用范围比较广泛，对它的要求也视情况而定，但是可根据工作条件的不同对软磁材料提出各自的要求，但有也要建立在基础要求上，概括来讲，为以下四点1要有高的磁导率。我们知道磁感应强度BH。因此在磁场强度H不变的情况下，B值的大小取决于材料的材料系数值。简单来讲，此时磁感应强度和材料系数成正比关系。在值的选取过程中，若选用值高的材料，在理论上就能将外磁场的励磁电流值降低，从而降了低磁元件的体积。这在实际应用中是有很大的意义的。另外，对应工作在弱磁场中的磁性材料，它的激磁电流相对较小，此时如果要提高灵敏度，需要考虑的因素是选用起始磁导率值高的材料。而工作在强磁场中磁性材料，要想得到比较大的磁通，一般对材料的MAX值要求比较严格，比一般的要高。2要具有很小的矫顽力。顾名思义，材料的矫顽力越小，磁化和退磁也就越容易，这一因素也会导致在交变磁场中磁滞损耗会大大减小。3要有较高的电阻率。我们知道，电阻率会影响涡流损耗。所以为了减小磁芯在交变磁场中工作时的涡流损耗，选取的电阻率要高。4要具备较高的饱和磁感应强度。磁感应强度的大小对开关电源变压器工作时的性能有所影响。在磁通相同的情况下，磁感应强度越高，磁芯截面积选取就会越小，这样磁性元件的体积就会减小，适合生产。当开关电源变压器工作在较低频率时，磁通密度会有所饱和，这样就限制了最大工作磁通密；但在高频时，磁通密度不会产生影响，反而是损耗起着关键作用，它对磁通密度的选取有所制约，此时，磁通密度如果发生饱和，影响并不会很大。在设计过程中，我们会发现，双极性开关电源变压器对设计材料的要求会很高。因为应用场合的不同，他对材料的要求也会整体上升。比如，它会对磁性材料的磁感应强度值有要求，要有高的磁感应强度值，同时，动态磁导率越高越好，高频损耗尽量较低。而单华北电力大学本科毕业设计（论文）9极性开关电源变压器对磁性材料的要求却是磁性材料应该具备较低的剩余磁感应强度和较高的磁感应强度，其实就是要求磁性材料具有适当的脉冲磁感应增量，除此以外，如果工作场合是直流磁场，单极性开关电压变压器要求磁性材料不饱和。在理论方面，在设计开关电源变压器时，用来表示磁性材料性能的参数主要有五项饱和磁感应强度BM、剩余磁感应强度BR、振幅磁导率、比损耗PB、增量导磁率等。311饱和磁感应强度S饱和磁感应强度BS的定义是在规定的最大磁场强度HS时所测得的磁感应强度。它的计量单位是特斯拉，符号是T。饱和磁感应强度是设计开关电源变压器过程中的一个主要参数。在变压器中，磁芯可传递的功率与它工作时磁感应强度B的大小成正比关系。也就是说，磁芯材料的饱和磁感应强度越高，变压器的输出功率就越大，或者在功率相同的情况下，可以缩小变压器的体积，达到生产要求。312剩余磁感应强度BR剩余磁感应强度BR定义为交流磁滞回线中磁场强度等于零时的磁感应强度值。单极性开关电源变压器的磁芯工作范围是在它磁滞回线的第一象限，可计算，变压器磁芯所传递的功率正比于它工作磁感应强度的增量B（BBSBR），在BS取值固定时，BR越小；B就越大，变压器输出功率也就越大，或在同等功率下，变压器的体积就可以大大缩小。313振幅磁导率磁性材料在无恒稳磁场（交变磁场）中被磁化时，在规定的磁场强度（或磁感应强度）下的磁导率被称做振幅磁导率A，它的数学定义式如下。ABIHI10式中0表示真空条件下的绝对磁导率，单位是HM；BI表示规定的磁感应强度值，或规定磁场强度下的磁感应强度，单位为T；HI表示规定的磁场强度值，或规定磁感应强度下的磁场强度，单位为A/M。如果开关电源变压器的激励是双极性的，我们就希望磁性材料有比较大的振幅磁导率，从而减小激磁损耗。华北电力大学本科毕业设计（论文）10314比损耗比损耗的定义为在规定条件下，磁芯单位体积的损耗PV或单位质量的损耗PB，其计量单位表达可以用下面四种MWG、WKG或KWM3、MWCM3。比损耗的大小不同，对变压器的温升和效率影响也不同。在计算磁芯损耗时，要考虑到工作磁感应强度和频率，它的数学表达式为PVCBNFM式中C表示损耗系数；B表示磁感应强度的大小；F表示工作时的频率；M、N表示与材料有关的系数。315增量磁导率增量磁导率是指在已经施加的直流磁场上继续叠加随着时间呈周期性变化的交变磁场，这时，由于磁感应强度的峰值之间的差值和磁场强度的峰值差所获得的相对磁导率。数学定义见下式。10式中表示磁感应强度增量，单位为T；表示磁场感应强度，单位为。单极性激励下的开关电源变压器，它的磁性材料工作范围处于磁滞回线的第一象限，交变磁场的变化范围也并非杂乱无章，它会以一恒定磁场为中心，然后发生变化，这时就要求增量磁导率的取值很大，从而以较小的线圈匝数来获得所需要的储能电感。32铁氧体材料321铁氧体材料特性铁氧体一种化学物质，它是一种深灰色或黑色的陶瓷材料，铁氧体的质地很好，既硬又脆，化学稳定性也十分良好。铁氧体一般由氧化铁的和其它金属物质组成。铁氧体中包含的金属元素很多，而且大多数是2价过渡金属。例如，铁（FE）、镁（MG）、铜（CU）、钴（CO）、镍（NE）等。其中，比较普遍的组合是锰锌组合MNZN，或着是镍锌组合NIZN。在这两种组合中华北电力大学本科毕业设计（论文）11再适当的加入其它金属元素，就会达到我们期望的磁特性。例如NIZN铁氧体4A11的成分中包含氧化铁大约为百分之五十，其中包含的氧化镍（NIO）大约为24，其余则是氧化锌（ZNO）。取极细致的粉末状的这些金属，再加入适当、适量的粘合剂，经过均匀的混合、成型，然后在高温1000以上上烧结，就可以形成客户所需要的各种形状的磁芯。如果形成的形状不是环形或者柱形，在应用的时候，就需要配合端面进一步经过研磨而达到要求。这些材料的特色是当它们处在居里温度TC下时，能够表现出良好的磁特性。材料的素质也并不会发生大的改变。并且这些材料的磁化也相对比较容易，并且它们的电阻率也相对较高。因此，用这样材料做成的铁氧体可以工作在很高的频率段，这样就不必像用硅钢片制作铁氧体时，必须做成叠片。由于镍锌NIZN铁氧体的电阻率很高，所以它适合工作在的场合是频率在1MHZ以上；相对于镍锌铁氧体，锰锌MNZN铁氧体的电阻率较低，所以它通常工作在1MHZ以下。但是锰锌铁氧体具有相当高的磁导率I和比较高的饱和磁感应BS，所以对于某些特殊的应用来说，该铁氧体可做成单晶。不过通常情况下，锰锌铁氧体主要用做多晶体陶瓷的制作材料。在高频领域，用软磁铁制作的铁氧体材料因为具有高频损耗相对较小、磁芯形状和品种繁多、成本低廉等特点，所以它的应用相当广泛，也是设计并制作开关电源变压器时首推的磁性材料；其中功率型锰锌（MNZN）铁氧体由于其良好的特点，成为应用最广泛的材料之一，主要应用于工作频率低于1MHZ的各类电子变压器和电感中。在选择铁氧体的过程中，会发现功率型锰锌铁氧体的材质特别，它的饱和磁感应强度很高，但是磁芯损耗确很低，并且磁导率适中，是优秀的铁氧体素材。但是人无完人，铁氧体材料也会有不可避免的缺点，它的缺点是在温度多变的环境中，磁性能会随之而改变。例如用JP4做材料而成的铁氧体在环境温度为20C的情况下，饱和磁感应强度BS是500MT，而当温度发生改变时，比如在100C时，饱和磁感应强度BS就好降至380MT。通过实验发现，在温度多变的环境中，有一些铁氧体材料的单位体积（或重量）损耗变化规律异常，他们反而会随着温度变化呈正的温度特性，这样就使变压器的温升和损耗持续增加，最后形成恶性循环。最后根据实验得到的结论是，功率型铁氧体材料对损耗的要求是，它必须具有负的温度特性。322铁氧体磁芯通过实验发现，根据不同原料不同的配比，铁氧体磁芯获得的性能也会有很大的不同。像电阻率，初始磁导率、饱和磁感应都会受到影响，还有一些参数如居里温度，磁感应的温度特性，以及影响电子变压器损耗的温度特性，剩磁特性等也会受到影响。因为材料的原因，铁氧体材料的初始磁导率很低。是因为它的构成材料中含有非磁黏合剂，导致初始磁导率远远低于磁合金。与此同时，铁氧体材料的磁化曲线会有缓慢饱和特性，磁粉芯也华北电力大学本科毕业设计（论文）12一样具有该特性。这种缓慢型的逐渐饱和特性对于双极式开关电源变压器中的推挽型变换器的变压器倒是有利的，可减少磁偏的影响。在制作过程中，因为制作工艺的逐渐进步，铁氧体材料十分容易加工成各种形状。所以在实际应用中，根据电路中所需要的具体情况来选择合适的磁芯形状。比如对开关电源变压器的电路类型有要求，或者对功率等级有限制，因为经济原因，也可能对经济指标有特殊要求。在选择磁芯结构和形状时应考虑以下三点基本因素1磁芯的漏磁要小，这样容易获得较小的绕组漏感；2绕制要方便，安装要简易，引出线要设计合理，这样在日后生产和维护也方便；3有良好的散热系统。具体来讲，开关电源变压器常用的磁芯形状有很多种，单独罐形（G、RM、PM、PQ）就有很多种，还有环形或者E型（EE、EI）等，应用比较多的是E型，另外U型（UFY、UY、UF）也常常被用到。通过下表可以看出，不同的磁芯形状会影响到磁芯的四项要素。通过比较发现，用罐形磁芯成本最高，环形和E型次之，U型最低。环形的线圈成本高于其他三种方式，罐形的抽头成本也很高，其他三种方式则一样。综合比较，用环形方式耗费的成本总量最低。表1磁芯形状与使用要求的关系近年来，我们平面型开关电源变压器的应用越来越频繁，为了适应这种趋势，低矮型磁芯应运而生。其中包括的类型有常见的低矮型EE型、EI型，以及和其他类型相结合的ER型、RM型磁芯。华北电力大学本科毕业设计（论文）13第4章单极式开关电源变压器设计实例41基本电路以下电路图描述的是单端反激式开关电源工作的简易图。下面简述一下电路图的工作流程。首先，当在开关晶体管上给予激励，然后导通开关晶体管。在变压器的初级绕组上施加输入电压，初级绕组中就会有电流流过。这时候因为变压器的次级整流二极管用的是反接方式，所以次级绕组中就没有电流通过，因此能量就会以磁能的方式被暂时储存在变压器的电感中。其次，当开关晶体管处于非导通状态时，变压器感应电流的相位和输入电压的相反，这样整流二极管就会接通，变压器临时储存的能量迅速被释放出来，用来给负载和电容充电。综上所述，说明这样的电路特点是，它的输出和输入相比，相位发生了颠倒。图41单端反激式变压器基本电路但是在实际计算的过程中会发现，影响单端反激式开关电源变压器输出电压的因素不仅仅是初级绕组单端匝数比，次级绕组单端匝数比也会对输出电压有影响，另外，导通时间的不同也会对它产生影响。42单端反激式变压器的等效电路和其电压电流波形如果在实际设计中，忽略掉变压器漏感，就可以简化单端反激式变换器，下图就是它的等效电路图。图42反激式变换器的等效电路华北电力大学本科毕业设计（论文）14当开关晶体管处于非导通状态时，变压器绕组电感中临时储存的能量迅速释放给负载。因此，在计算放电时间常数时，要考虑的因素就会很多。一般来说，电感量和放电时间常数之间有数量关系。那么在此电路中，变压器初级电感量的大小就显得尤为重要。同时在绘制电压的波形、电流的波形时，也要考虑到初级电感量的影响。图43给出了在不同数值的电感下，电流和电压器的波形。对比图中的曲线，可以得出下面的结论充放电时间常数和电感大小成正比关系，而峰值电流却和电感成反比关系。在这样的情况下，选择开关晶体管的配件就需要提高要求，这样会导致输出的电压纹波扩大。另外，当电感值偏小就会使得负载电流间断的不连续的波形，见图43（C）。图3电感量对电压电流波形的影响43临界电感开关晶体管导通时能量储存在变压器初级电感中，在开关晶体管非导通时停止（另一周期开始导通），储存在初级电感中的能量恰巧完全释放，这时，停留在变压器初级绕组中的电感叫做单端反激式开关电源变压器的临界电感。如图43（B）。表述处于临界电感时的曲线。前者的临界电感小于初级电感时，在开关晶体管截止过程中储存在电感的能量没有释华北电力大学本科毕业设计（论文）15放完毕，仍储存另一些能量，见图43（A）。这时有小的峰值电流，纹波振荡也小。而电感偏大使变压器占空增大，漏感增加，成本上升。所以，应依照不同的负载要求挑选适合的变压器初级电感量。44单端反激式开关电源变压器的设计441计算变压器的初、次级电压（1）变压器初级电压1UP1UINU1（41）公式中UP1表示其初级电压幅值（V）；UIN表示其输入电流电压（V）；U1变压器铜阻初级绕组压降和导通开关晶体管压降（V），变压器铜阻初级绕组压降是输入电压的052，导通开关晶体管压降通常在1V上下。（2）变压器次级输出电压UP2UO2U2UP3UO3U3UPIUOIUI（42）公式中UP2,UP3,UPI表示其次级输出电压大小（V）；UO2,UO3,UOI表示其次级负载直流电压值（V）；U2,U3,UI表示其整流管压降和铜阻的次级绕组压降（V）。变压器次级绕组铜阻压降是输出电压的052；整流管压降对PN型设07V，对肖特基二极管设04V。442变压器工作比工作比指工作周期内开关晶体管导通时间所占比例。TONT（43）华北电力大学本科毕业设计（论文）16公式中额定工作状态时工作比；TON额定输入电压时开关晶体管导通时间（S）。T工作周期（S）。最大工作比MAXTONMAXT（44）公式中MAX最大工作比；TONMAX表示其最大导通时间（S）。最小工作比MINMAXMAX1MAXKV（45）公式中MIN最小工作比；KV电压变化系数，计算公式为KVUP1MAXUP1MIN（46）公式中UP1MIN变压器初级电压最小幅值，单位为V；UP1MAX变压器初级电压最大幅值，单位为V。443匝数比单端反激式开关电源变压器的匝数比，不但受输出、输入电压影响，而且和工作比相联系。NN1N21UP1UP2MAX1MAXUP1MINUP2MIN1MINUP1MAXUP2（47）因为初级电压与导通时间的乘积乃一个常数，故在计算匝数比时，初级电压会和导通时间相联系。华北电力大学本科毕业设计（论文）17444初级电感该变压器的临界电感为LMIN2UP122P0106TON2UP122P0T106（48）公式中P0表示其输出直流功率，单位W；IMIN临界电感，单位H。同时，在核对临界电感时，初级电压器会和它导通时间相联系。指最大电压对照最小导通时间；最小电压对照最大导通时间。若该变压器临界电感小于初级电感，在它的晶体管非导通时段内储存于变压器的能量释放不完毕；若其临界电感大于初级电感，在开关晶体管非导通时段内储存于变压器的能量释放完毕。使纹波缩减，维持电流的稳定，通常均取变压器的临界电感小于初级电感，即LP1LMIN（49）公式中LP1初级电感，单位H。445计算初级峰值电流当开关晶体管处于非导通状态，并将储存在变压器中的能量释放完毕IP12P0TUP1MINTONMAX2P0TTONUP12TP0TONMAXUP1MAX（410）同理，若该晶体管非导通期间储能释放并不完全IP1TONUP12LP1106TP0TONUP1（411）446计算各级绕组的有效电流（1）初级绕组的有效电流华北电力大学本科毕业设计（论文）18I1MAX3IP1（412）公式中I1流过初级绕组电流值，单位A。（2）次级绕组的电流I2UP1UP2I1I1N（413）公式中I2表示流过次级绕组的电流有效值，单位A。447确认磁芯大小（1）挑选工作磁感应强度不同变压器工作时磁感应强度与其应用的磁性材料有关，当该变压器是反激式的方式，工作磁感应强度就与后者的增量有着直接的关系。一般为了提高后者的大小，选择在磁路中加气隙，将剩磁降低。加气隙于铁氧体磁芯后剩磁特小，它的磁感应强度增量通常会小于饱和状态时磁感应强度值的一半。即12BSBM（414）公式中BM表示该变压器的磁感应强度变化值，单位T；BS表示其饱和状态时得到的磁感应强度，单位T。（2）计算其面积相乘值APAP500IP12LP1BMJ（415）公式中AP表示面积之积，单位CM4BM表示其磁感应大小的变化值，单位T。IP1表示其初级峰值大小，单位A；LP1表示其初级电感，单位H；（3）按面积之积挑选铁芯类型。华北电力大学本科毕业设计（论文）19（4）当要求加强线圈的绝缘特性时，可增大所用磁芯尺寸。448计算其空气隙长度LGLG04IP12LP1BM2AE（416）公式中IG表示磁芯中气隙的长短，单位CM；LP1表示其初级电感值，单位H；IP1表示其初级电流峰值，单位A；BM表示其磁感应强度增量，单位T；AE表示磁芯截面积的有效值，单位CM2。若所选磁材料恒导或是磁粉芯（像粉末磁芯），磁路中不要求设空气隙。449计算绕组的匝数值（1）初级绕组匝数N1BMLG04IP1104（417）公式中N1表示初级绕组匝数。若变压器磁芯中无空气隙，N值是N1892103LCLP1SCE（418）LC表示其磁路长度有效值，单位CM；SC表示其有效截面积，单位CM2；E表示其有效磁导率。磁芯样式的不同，工作时磁感应大小差异和所有磁芯的素材不同以及直流磁场都会影响到有效磁导率取值。（2）次级绕组匝数华北电力大学本科毕业设计（论文）20N2N1UP2UP1MIN1MAXMAXN3N1UP3UP1MIN1MAXMAXNIN1UPIUP1MIN1MAXMAX（419）公式中N2,N3,NI表示次级绕组中各级匝数值；UP2,UP3,UPI表示次级绕组中各级电压值，单位V；MAX表示最大工作比。计算完成后，根据匝数值的大小，经过对比总结，最后调整总体所需值，最终确定数值，对结果进行修正。4410确认导线规格导线截面积QMIIJJ（420）QMI表示各级绕组导线截面积IJ各级绕组有效电流值J电流密度导线直径DI113QMI（421）公式可以计算各级绕组的导线直径，单位是毫米。按上式计算得出导线截面积或直径大小，来确认其规格时，还要把集肤效应考虑在内。4411校核窗口和线圈结构计算（1）确定线圈是否绝缘（2）确定各级绕组的配置配置绕组时应考虑下列因素华北电力大学本科毕业设计（论文）211）适当降低初级和次级间的漏感。当次级绕组数目不多（12组）时，采用一般排列方式，即采用III或III的排列方式；若一般排列方式无法达到漏感要求，改采用一次分层绕制（M2）。若次级绕组数量太多，必须采用一次分层绕制（M2）。在分层的时候，选择将输出功率居首的一个或俩个绕组放在俩半个初级绕组之间，还可以分别置放在初级绕组的内、外两侧，达到增强他们之间耦合的目的。2）铺置导线时，应考虑绕线宽度，尽量均匀排满。为了达到目标，可以对导线直径微调，最终铺满所规定的绕线宽度范围。假设最后一层无法绕满，改采用间绕的方式，或在间绕过程中，加入另一次级绕组来绕满每一层。绕组间的分布电容要尽量的小。另外，在分层时，绕组的分层数量适中，切记不要过多，通常采用一次分层绕制（M2）。值得注意的是，须合理地调整绕组的极性，来减小相邻组或相邻层之间的电位差。3）另外，在配置过程中，还有一个因素十分重要，那就是邻近效应。当前，开关电源变压器的发展趋势是工作频率高频化，在高频条件下，铜损对变压器的影响很大，如何降低铜损，是很关键的环节。但是若绕组层数增加，邻近效应的影响更加突出。为了解决这个问题，一般采用的方法是分层绕制，采取分层绕制后，会大大减少邻近效应所造成的影响。此时，减小邻近效应是主要目的，也就是说如果漏感值适中，但还是要利用分层绕制，分层数通常为一次（M2）。（3）绕组每一层的层数和匝数计算各绕组中各层匝数为MNHMDMMKP公式中HM代表其绕线宽度，单位MM；DMN表示绕组带绝缘导线直径，单位也是MM；KP表示排绕所用的相关系数。（4）绕组厚度计算各级绕组的厚度NDMNKDSNZ公式中KD表示叠绕系数；Z则表示组间绝缘厚度，单位为MM。从实际出发，在计算线圈总厚度时，要考虑骨架。所以应不越过骨架规定的范围。（5）计算各级绕组平均匝长这里不做叙述，请参照电子变压器手册（6）计算各级绕组的铜重和铜阻计算方式和电源变压器的一致，不过计算出的铜阻是直流电阻。华北电力大学本科毕业设计（论文）224412计算损耗（1）磁芯损耗PCPVVE103（4221）或PCPBGC（4222）公式中PC表示其磁芯损耗值或铁心的损耗值，单位W；PV表示单位体积下磁芯的损耗，单位为MWMM3；VE表示所用磁芯所占体积MM3；PB表示铁心的单位损耗值WKG；GC表示铁心质量,单位是KG。在计算磁芯单位体积损耗时，根据公式，按各参数的取值，在所用磁性材料的损耗曲线中查找。损耗曲线会随着所用磁性材料、工作频率大小（或周期）、工作磁感应强度的取值而发生改变。另外的材料如果有单位损耗，直接联系材料供应商，从材料提供商给出的损耗曲线中查找。（2）线圈铜损PMI12R1I22R2IN2RN（423）（3）变压器总损耗P2PCPM（424）4413温升计算（1）根据热阻来计量温变MPCPMRT（425）（2）根据单位表面积的热耗散来计量温变计算变压器单位表面积的热损耗华北电力大学本科毕业设计（论文）23QPCPMFCFM（426）45单端反激式开关电源变压器的设计实例为了得到升压或者降压电源，需要经常使用变压器。因为输出电压的不同，在设计开关电源时所用电路拓扑结构也各异。即使电源相同，因为一些细节的改变，电路拓扑结构也要进行调整，甚至要重新选取。在所有的拓扑结构中，利用反激式变压器组成的开关电源设计起来最容易，电路构造也相对简单，并且能很好的达到升压的效果，同比所使用的元器件数量也最少。本文就将讨论反激式开关电源变压器的设计。在设计过程中，用到的许多参数是根据经验得来的。但是理论指导一切，在设计高频电源电压器时，每一个参数都得仔细斟酌。在理论的指导下，联系实际经验，二者互相结合。本文简要介绍了普通反激式开关变压器的设计，对设计过程中的参数进行了计算和比较。以下是设计中要实现的技术要求变换器电路形式单端反激式；工作频率F50KHZ（工作周期T10S）；开关电源变压器输入的最高电压UINMAX220V；开关电源变压器输入的最低电压UINMIN110V；开关管最大导通时间TONMAX4S；开关管导通时的电压降1V；整流二极管正向电压降03V；输出电压U06V；输出电流I01A；最高工作环境温度40C；允许温升M不大于50K。451变压器初、次级电压计算1计算初级电压令线路电压损耗和变压器初级绕组铜阻损耗均为输入电压的2，得初级电压为UP1MAX22010021215V,UP1MIN11010021107V2计算次级电压UP2610020364V华北电力大学本科毕业设计（论文）24452计算变压器工作比（1）最大工作比MAX41004（2）电压变化系数KV2151072（3）最小工作比MIN0310320303453计算匝数比N031031076472454计算初级电感临界电感LMIN107203210264210605MH取LP220MH。455计算初级峰值电流IP12642101074060A456各绕组有效电流初级绕组有效电流I1060060303A次级绕组有效电流I27202144A457确定磁芯尺寸计算面积乘积华北电力大学本科毕业设计（论文）25AP50021030602501206CM4458计算空气隙长度LG03314200010542083012211