开关电源变压器的优化设计及应用 - 图文-

1、 工程硕士学位论文design that the voltage stressofswitch isminimum,achieve the optimization purpose.Keywords:High-frequency transformer;Parasitic parameters;Equivalent circuit; iSIGHT software IV 工程硕士学位论文从硬开关技术中得到启示:若能在开关管的导通和截止瞬间,使电压或电流为零,即可使开关损耗为零。理想的关断过程是电流先降为零,电压在缓慢地上升到瞬态值,关断损耗近似为零。因为开关器件关断之前,电流已下降到零,这便解

2、决了感性关断时的尖峰电压问题。这种动作称为零电流开关(Zero CurrentSwitching,简称ZCS。理想的导通过程电压已降到零,电流在缓慢上升到瞬态值,导通损耗近似为零。开关器件结电容上的电压为零,解决了容性导通尖峰电流的问题。这种动作称为零电压开关(Zero Veltage Switching,简称ZVS。这种开关技术,相对于硬开关技术,称作软开关技术。软开关技术的使用,从理论分析上来讲可使开关的损耗接近于零,进而使开关频率有所提高,变换器有更高的工作效率,更大的功率密度,体积、重量反而大大减少,具有了更高的可靠性;并且可以有效地减少电能变换器引起的电磁污染(EMI和环境污染(噪声

3、等。1.3.4电路结构(1单端反激式变压器单端反激式变压器的原理图如图1.2所示VsR图1.2单端反激式变换器的工作原理当半导体开关管导通时,在变压器的初级绕组中会产生电流,此时初级电感充磁。由于变压器的初级线圈与次级线圈同名端反向,此时二极管D承受的是反向电压,所以负载中无电流流过。当开关管断开时,线圈的中的磁场会急剧变小,次级线圈中会产生的电压极性发生变化,此时二极管D导通,从而产生电流流经负载,并且向电容充电。由于变压器是通过磁场进行能量的传递,所以电网中的干扰不会影响到负载,故其抗干扰能力比较强。单端反激式变换器构成的开关电源成本较低,输出功率一般为20WIOOW。它有较好的电压调整率

4、,但输出的纹波电压较大,负载调整率较差,适合于负载相对固定的场合。(2单端正激式变换器单端正激式变换器电路结构如下图1.3所示。 工程硕士学位论文应用意义以及它的不足之处,并且探讨了变压器设计中需要改进的问题,希望能够做出更加优秀的设计方法。9 开关电源变压器的优化设计及应用这会导致出现热击穿的危险后果【1921】。2.3磁芯损耗磁芯材料在被交流磁通磁化的过程中,会因能量的损耗而发热,磁芯的功率损耗主要由以下三种损耗构成:由磁滞所引起的损耗,被称之为磁滞损耗(;由涡流所引起的损耗,被称之为涡流损耗(;由其它因素所引起的损耗,被称之为剩余损耗(只,即:吃哦屹犯(2.52.3.1磁滞损耗E BJ?

5、么百.Bm图2.3磁芯的磁滞损耗在外磁场作用下,磁芯材料中的会有一部分磁畴产生了“弹性”转动,它的方向与外磁场方向相差不大,这就意味着当外磁场消失时,磁畴会恢复成原来的方向;而另一部分磁畴则要去克服磁畴壁的摩擦从而发生刚性转动,即当外磁场消失时,部分磁畴仍旧保持磁化方向。因此磁芯被磁化时,送到磁场的能量被分成两部分:前者转换成为了势能,即当磁化电流消失时,磁场能量返回电源的电路中;而后者则成为克服摩擦而使磁芯发热所消散的热量,即磁滞损耗【22,231。如图2.3所示,在每一个磁化周期磁芯的磁滞损耗,就会消耗掉与磁滞回线包围的面积成正比关系的能量,频率越高,那么损耗的功率就会越多。磁感应的摆幅越

6、大,那么所围成的面积越大,功率损耗也越高。对于铁氧体材料来说,计算磁芯的磁滞损耗可以使用以下的经验公式。乞=khfVa.。(2.6其中:厂:工作频率(Hz; B。:工作的磁感应强度(T; 14 工程硕士学位论文3.1概述第3章高频变压器设计与Maxwell仿真变压器是电子产品以及开关电源中的关键性部件。传统的变压器一般都是由铁氧体磁芯以及铜线绕组组成,体积较大,而且由于绕制的原因,变压器的寄生参数值不容易控制,并且很容易造成电磁干扰。而且平面变压器也是最近十几年才出现的一种新概念产品,对于传统线绕式变压器的体积大以及高频效应问题,它相比之下就非常的优秀。与传统变压器相比,相同功率下,平面变压器

7、的体积仅为传统变压器的20%。传统变压器为了使漏磁减小,通常设计成瘦高型,但平面变压器的结构是宽扁型的,厚度小于lcm,散热表面积比较大;它的平面绕组容易达成交错叠放,这将大大降低了漏感。此外,平面变压器的工作频率较高,能量密度比较大,效率高,产品外观和一致性好,电磁干扰小,适合于自动化表面贴装(SMD,能够很好得实现低压大电流的输出要求,尤其对空间与高度有着限制条件或者对节能以及散热要求较高的场合非常适应。为了优化变压器的设计,应先建立变压器等效模型,然后进行变压器的电磁场仿真。对于市面上的很多电磁场有限元分析软件,选用了Ansoft公司开发的Maxwell 3D软件对平面变压器进行静电场与

8、涡流场进行仿真。通过Maxwell 3D仿真软件中建立起平面变压器初步设计的模型,并且对此模型进行涡流场分析和静电场分析,那么就可以得到平面变压器等效电路中的所有寄生参数,然后就能够后面Saber软件仿真中建立起平面变换器的等效原理图,从而对平面变压器的各个运行参数进行监测分析。Maxwell 3D功能十分的强大,计算结果也非常精确,是简单易用的三维电磁场有限元分析软件。它主要包含涡流场与静电场分析模块,它们可以用来分析变压器的稳态、瞬态。Maxwell 3D拥有高性能的矩阵求解器与多CPU处理能力,求解速度大大加快。3.2平面变压器的设计平面变压器的设计理论依据与传统变压器是相差不大的,都是

9、麦克斯韦方程组,以及各种各样的限制条件。限制条件主要有以下几个部分:铁芯工作磁密巩要比它的饱和磁密B。要小,工作磁通密度的交变量衄要尽量减小,这样使铁芯损耗不至于太多。满足这些条件以后,绕组导线的截面积应该尽可能大,以便让绕组导线的直流电阻和铜耗尽量小,尽可能地减小变压器的发热量,并且要求散热速度要快,没有过热点,再者考虑到集肤效应以及邻近效应的影响,有要求时 开关电源变压器的优化设计及应用的所有寄生参数,进而建立其等效电路模型,方便后面对平面变压器进行优化设计。1、涡流场仿真结果如图3.9所示,平面变压器3D仿真模型如上图,平面变压器模型的详细参数如下:铁氧体磁芯E.PLT32的详细结构参数

10、如图3.5;原副边的绕组宽度为8.22mm,厚度为0.07mm,平面变压器的原边绕组为4层,并且成螺旋结构串联,副边绕组为一层,每层都只有一匝。原副边绕组与铁芯之间的间距为O.4mm,每层绕组之间的间距也暂定为O.4mm。求解步骤如下: (1创建模型后,选择求解器类型:Maxwell>Solution Type>Eddy Current。然后设定模型的材料属性如图3.10,选中不同材料的组织结构,然后通过界面3.10搜寻使用的材料名称,绕组选择的是materials类型为copper,磁芯结构选择的类型为ferrite,背景为vacuum。它们在Maxwell 3D中的详细数据如下

11、:铜导体的电导率为5.8×107S/m、相对电容率(即相对介电常数为1、相对磁导率为o.99999;背景选为真空,相对磁导率为1、电导率为0、相对电容率为1;铁氧体3F3的相对电容率为12,电导率为0.01S/m,最大磁导率为4000Him。图3.10设置材料属性(2设置边界条件为阻抗边界(Impendance-Maxwell>Boundaries>Assign>Impendance,可以用来计算场行为和损耗的电阻性表面。然后设置激励源,首先选中pricoil创建激励电流加载面:Modeler>Surface>Section,Section Plane:YZ平面,Modeler>Boolean&g