传输线变压器在开关稳压电路供电线路中的应用

1、天 津 大 学 网 络 教 育 学 院专科毕业论文题目：传输线变压器在开关稳压电路供电线路中的应用完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日学习中心：嘉兴专业名称：电气自动化技术学生姓名：朱鸿麒学生学号：132092433102指导教师：刘伯颖传输线变压器在开关稳压电路供电线路中的应用设计要求传输线变压器和其他元器件一样,其设计的依据是用户提出的技术要求,然而,如果用户对传输线变压器缺乏一定的了解,那么要提出合理的技术要求是困难的.为此,在介绍设计方法之前有必要先对变压器的技术要求作一些说明.在一般情况下,电子变压器的技术要求应包含这样一些内容:输入和输出阻抗的大小,馈电方式,与讯

2、号有关的内容(例如频率范围,功率容量,脉冲波还是连续波)负载的特点,允许的波形或幅度和相位的变化程度以及允许的失配程度等.现分述如下:输入和输出阻抗在变压器的技术要求中,如果仅仅提阻抗比的要求是不够的,必须具体指明输入阻抗和输出阻抗的大小.因为对于一定的阻抗比,例如1:4,可以是50欧姆与200欧姆之比,等等.而在传输线变压器中,所用传输线最佳特性阻抗与具体的阻抗变换有关,即与输入阻抗和输出阻抗的大小有关.对于50欧姆的1:4双线传输线变压器,传输线最佳特性阻抗为100欧姆的1:4双线传输线变压器,传输线最佳的特性阻抗为100欧姆.而对于75欧姆与300欧姆的变换,传输线最佳阻抗为150欧姆.

3、另外,为了确定变压器磁化电感的大小,还必须知道输入阻抗或输出阻抗,国在磁化电感的大小是与输入阻抗或输阻抗成正比的.例如,有两个变压器,在其它的条件相同的情况下,一个变压器的阻抗比为12.5欧姆/50欧姆,另一个变压器的阻抗比为125欧姆/500欧姆,虽然都是1:4的阻抗变压器,然而它们所要求的磁化电感却有很大的差别,后都是前都的10倍.一个变变压器性能的好坏在很大程度上取决于所要求的磁化电感的大小,传输线特性阻抗与最佳特性阻抗之比,因此,设计变压器的大小,首先要明确阻抗变换是从多少欧姆变到多少欧姆,例如,在晶体管电路中用于级间耦合的变压器,必须知道前级的输出阻抗和后一级的输入阻抗,短波通讯中的

4、发射机与天线之间的匹配变压器,就应当知道发射机的输出阻抗和天线(或馈线)的输入阻抗.极性变换 极性变换本身可看作是广义的阻抗变换,因为它也是使两个不同的网络间匹配的一种手段.变压器极性变换一般有四种:全相变换,不平衡-不平衡变换,不平衡-平衡变换以及平衡-平衡变换.对于一定的阻抗变换,当所要求的极性变换形式不同时,刚变换电路和传输线的最佳特性阻抗就不完全相同.例如,1:4不平衡-不平衡变换,一般采用双线传输线变换电路,而1:4不平衡-平衡变换,一般采用成对双线传输线变换电路或三线传输线1:4变换电路.因此,在变压器的技术要求中除说明输入端和输出端的阻抗以外,还应指明输入和输出端的极性

5、(即馈电方式).负载的特点当涉及不平衡-平衡变换时,在技术要求中应说明平衡端负载是否允许有实在的接地点.因为有实在接地点的变换电路可以有较大的差别.例如1:1不平衡-平衡变换,如果平衡负载中心(或平衡电源中心)允许有实在接地点,则用简单的双线传输线变压器就可以完成,否则还要附加平衡绕组或都采用三线传输线变压器电路.因此,在技术要求中指明平衡负载中心是否允许有实在接地点,这可以使变压器设计师获得更多的自由,从而有助于提高设计质量.直流的影响在电子线路中常常是交,真流混杂的,因此变压器就应注意是否有隔离直流的要求,当有直流存在进,不仅变压器变换电路形式不同,而且在设计进还应该注意因直流引起的饱和问

6、题.在第二章曾指出,磁芯饱和的问题-磁导率随直流场变化,与工作频率的高低有关,在一般情况下,工作频率越低,磁芯饱和的问题就越严重.因此,对于低频变压器,直流的大小要特别引起注意.功率容量习惯上,如果未指明功率容量的要求都是指低功率.如果有功率容量的要求(对于短波为瓦级以上)应具体指明容量的大小.变压器的设计,特别是磁芯材料厂,尺寸的选择以及传输线材料,尺寸的选择与功率容量的大小有密切的关系.传输参数变压器的功能可以归结为能在电源和负载之间提供匹配级联.而且为了衡量匹配的程度,由它引起的损耗大小和相位的变化,需要引入一些参数,这些参数是传输损耗(有效损耗)（分贝）式中T为传输参数.插入损耗（分贝

7、）对比以上两式不难看出,当电源输出阻抗与负载电阻相同时,插入损耗和传输损耗的意义不同.变压器是用来做阻抗变换的,在一般情况下变比或阻抗比不等于一,此时,若仍用插入损耗来衡量变压器的损耗,那么变压器的损耗(用分贝表示)可能出现负载(既有增益).变压器是无源网络,不可能有功率增益,因此,在衡量变压器损耗时用传输损耗比较合理,而用插入损耗表示则容易产生混淆.反射损耗(回归损耗)式中电压反射系数其中Z 和Z为在网络某处分别向电源和负载端看的输入阻抗,若用电压驻波系数表示,则反射损耗反射损耗、电压驻波系数和电压反射系数都是表征失配程度的参数，因为这些参数相互间都有一定的关系，故在一般技术要求中只给出其中

8、一个就可以了。在一般的设计手册中给出的电压驻波系数、电压反射系数和传输损耗的列线图，传输损耗仅指由于反射引起的损耗，不包括因传输网络内存在的有功损耗元件所引起的损耗。所以用户在给出传输线变压器的技术指标时应注意其合理性。相移是指信号通过变压器网络后相位的变化。射初始信号相位为零，则通过变压器网络后相移角由下式确定：         在不平衡-平衡变换中还有相位平衡度和幅度平衡度的要求。幅度平衡度相位平衡度一般不用分贝表示，而直接用平衡端相移角差表示。以上所讨论的变压器的四种主要参数，即传输损耗（或插入损耗

9、），反射损耗（或电压反射系数、或电压驻波系数），相移以及平衡度，在变压器的使用过程中，有的对这四个参数都有所要求，有的只对其中的几个有要求。如果不是必要，不必对所以的参数都提要求，否则有可能会使主要指标的水平降低。 变换电路的选择设计传输线变压器，首先要根据设计要求选择变换电路。表3-1是十几种可供使用的变换电路汇集。每一种变换电路都有各自的特点。现就各种电路的特点分别加以说明。                  &

10、#160;         表1 基本变换电路汇集  实际传输线变压器的传输损耗主要由两部分组成，变换电路本身的传输损耗和由于并联电感（磁化电感）不等于无穷大所引起的损耗。所谓变换电路本身的传输损耗是指没有电损耗和磁损耗时，由变压器电路的频率特性所造成的损耗。实际应用中的传输线变压器，要求传输损耗比较小，也即变换电路本身的传输损耗和并联电感损耗都必须较小，这种情况下实际变压器的传输系数和传输损耗可分别表示为：       &#

11、160;           T = T1T2                                      

12、;         (4-8)                   AT = 10lgT1 +  10lgT2          （4-9）式中  T1 -并联电感传输系数     

13、; T2 -变换电路本身的传输系数几种变换电路的T1值和T2值列在表3-1中。表3-1中序号1是1：1隔直变换，传输线的最佳特性阻抗为，由于该变换的初级或次级绕组内有直流通过，直流产生的磁场有可能使磁芯的可逆磁导率下降，因而有可能使电感值下降。序号2是1：-1（倒相）变换，其中上图为传输线（扭绞双线或同轴线）绕在磁芯上的结构形式，下图为磁环套在同轴线上的结构形式。相对而言，后一种形式适用于高的频率，如几百兆的连续波、毫微秒量级的脉冲波。序号3有两种变换电路，其上图多半是作不平衡-平衡的变换，负载中心不一定要有实在的接地点。例如，不平衡电源输出与平衡天线之间的匹配，因平衡天线中心没有实在的接地点

14、，所以可以用这种电路来完成匹配。下图一般是用来作平衡不平衡的变换，例如平衡接收天线与不平衡接收机之间的匹配就可由它来完成。序号5和6都是双线1：4变换，它们在结构上的差别仅仅是接地点不同。但当作不平衡平衡变换时，其平衡度不如三线的和成对的1：4不平衡-平衡变换好，它的优点是结构简单，制作方便，尺寸小。双线1：4变换多半用来作不平衡电路的级间耦合。序号7和8都是成对双线的1：4平衡-平衡变换，其中7是传输线绕在同一磁芯上（只用一个磁芯），序号8是磁芯分别套在两根同轴线上的结构形式。序号9也是成对双线1：4变换，与序号7比较多了一接地点，并且是由两根传输线分别绕在两个磁芯（或双孔磁芯）上组成的，其

15、并联电感为序号7的1/4。因此在其他条件相同的情况下，序号9的低频响应和并联电感损耗不如序号7，但是序号7只能用来做平衡-平衡变换，而不能作不平衡-平衡变换，调整序号9的接地点，则可以用来做各种极性的1：4变换。它的主要优点是在作不平衡-平衡变换时有较好的平衡度。序号10、12和序号4、11、13、15都是三线传输线变压器，其中序号10和12为偶模变换，其余四种为奇模变换。它们中的某些变换，其功能与双线传输线变压器的相同，但这些相同功能的变换之间仍是有差别的，主要表现在以下几个方面：在磁芯和传输线相同的情况下，并联电感不同，因而并联电感的传输系数。最佳传输条件不同。传输线长度的限制不同。例如序

16、号14和15都是1：9不平衡-不平衡变换，前者允许用较长的传输线，而后者允许使用的传输线较短。或者说，当传输线的长度相同时，前者的上限频率较高，后者的上限频率较低。但序号14要用两个磁芯，而序号15只需用一个磁芯。表3-1中还有的是将磁环套在传输线上的结构形式，也有是传输线绕在磁环上的结构形式。这两种结构在本质上没有太大的差别，因为磁环套在传输线上可看成是传输线在磁环上绕一匝的结构形式。当然它们之间还有一定的差别，例如将磁环套在传输线上的结构形式，传输线绕组的分布电容小，而传输线绕在磁环上，由于传输线形成了线圈因而绕组的分布电容大。分布电容小是获得较高上限频率的重要条件，因此，将磁环套在传输线

17、上的结构形式适用于作较高频率的阻抗变换，但是由于较难获得较大的并联电感，因而不适于低频应用。以上列举了传输线变压器的各种变换电路以及主要的差别，具体的不同参考射频铁氧体宽带器件【1】读者可根据具体的设计要求做出选择。 传输线特性阻抗的计算 概述为了达到宽频带的目的，绕制变压器用的传输线的特性阻抗应尽可能地满足最佳值的要求，如果偏离最佳值，那么各种传输线变压器将受传输线的长度或工作频率的限制，偏离越大则限制越厉害。因此，设计传输线变压器的关键是选择或设计合适的传输线。绕制传输线变压器的传输线主要有同轴电缆、扭绞双线、平行双线、带状线，他们都是双线传输线。还有一种是多股扭绞线，如由三根单线扭绞成的

18、三线传输线，这类线称为耦合传输线。a.无损耗同轴电缆的特性阻抗          式中，D，d分别是同轴电缆外导体内径、内导体外径；为内外导体间介质相对磁导率； 是介质的相对介电常数。b.带状传输线的阻抗           式中，h-带状线支撑介质的厚度，b-带状线宽度c.扭绞双线的特性阻抗         

19、0;         式中，D-单线直径； d-单线导体直径下表给出了常用扭绞双线的一些基本参数：  磁芯的选择由上一章传输线变压器原理可知，由磁芯引起的传输损耗总是随频率的上升而下降，最后趋于仅与斯诺克常数有关的恒定值。因而，如果在频带的低端能满足传输损耗的要求，那么在高于这一下限频率下传输损耗也一定能满足要求。由此得出的对磁芯的基本要求是初始磁导率高，也高。为便于工程设计，本节将给出不同的指标对材料技术要求的差别，以便根据不同的应用、不同的要求去合理地选择需要的铁氧体材料。本节另一个内容，是

20、根据变压器设计要求及既定的材料参数（和）来确定磁化电感的大小，并给出一些设计参考图表，最后将对宽带变压器磁芯的最佳尺寸做一简要介绍。磁芯材料的选择对磁芯材料的要求主要取决于变压器的容量，同时考虑其相关的传输损耗、反射损耗、相移及磁芯材料的磁导率和 、损耗角正切  ( / )。宽带变压器的传输损耗为：          式中， 电源内阻；L0空心线圈电感；式中，N-匝数；h-磁环高度；d1、d2磁环内、外径尺寸（cm）宽带变压器的反射损耗为：3宽带变压器的相移为：（弧度）需要说明的三点：

21、其一，提高磁芯磁导率对于改善传输损耗、反射损耗和相移都是有宜的。其二，对磁芯材料的以上讨论仅仅适用于低功率，对高功率不完全适用。其三，同时满足传输损耗、反射损耗和相移技术要求的最佳材料是损耗很大（）的材料而不是低损耗（）材料，因为传输损耗在工程应用中，相差几十倍是可以接受的，然而在匹配和相移有要求的应用中，损耗小的材料明显比损耗大的材料差，后者足以满足应用要求，而前者是勉强的，甚至无法使用。        因此，在传输损耗、反射损耗和相移同时有要求时，最优的变压器磁芯材料是的材料。 磁芯尺寸的选择在下列情况下，传输

22、线变压器的磁芯尺寸有一定的要求：1.频带特别宽，例如相对带宽为10倍频程以上；2.功率容量较大时，例如在短波段连续波功率为1千瓦以上；3.上限工作频率较高，在几百兆以上，或者脉冲很窄，为毫微秒量级；4.实际传输线特性阻抗偏离要求的最佳值要求较远。在以上章节指出，传输线变压器带通的上限频率受传输线长度l的限制，这种限制可表示为：             下限频率 受并联电感 的限制，表示为      

23、0;       带宽系数                /上式表示变压器带宽系数的大小与绕组单位线电感的大小成比例。当绕组线长和磁芯材料一定时，以电感量最大的磁芯尺寸为最好，当材料一定时，以达到相同电感量的最短线的磁芯尺寸为最好。这是检验设计、比较磁芯好坏的一个重要标准。磁芯磁路中的气隙将使磁导率（ 和）下降，尤其是高磁导率材料下降得更厉害。因此，从宽频带考虑宜采用无气隙的闭

24、磁路磁芯。常用的是矩形截面的环形（单孔）磁芯和双孔磁芯，下面就这两种磁芯的最佳尺寸作下介绍。 矩形截面环形磁芯的电感         式中d2、d1和h分别为磁环的外径、内径和高度，为磁导率，N为匝数。绕一匝的线长为        设绕组线长为l，则这种磁芯的电感为       将上式代入式     

25、;   / 可以看出，当d1趋于零时，带宽系数 / 趋于无穷大，但这是不可能的，因此磁芯必须穿线。故磁芯内径d1要有一定的大小。如果(d2/d1)是一定的，则由上式可得 / 取极大值的条件为           这表示当磁环内外径一定时，若磁环的高是可以调整的，那么以环高等于环壁厚度时的尺寸为最佳，也即单位线长电感最大。这是因为当环高等于壁厚时，磁路截面是正方形，在矩形截面中以正方形的单位周长面积最大，而电感的大小是与磁路截面大小成正比的。双孔磁芯的电感为 

26、;        式中N 为绕在双孔磁芯中心臂上的绕组的匝数。绕一匝的线长           不难看出，在尺寸相同的条件下，双孔磁芯的电感两量比单孔磁芯的大一倍，而绕一匝的线长增加不到一倍。因此双孔磁芯单位线长电感量要比单孔的大，因而在理论上双孔磁芯变压器有可能获得更大的带宽。在理论上双孔磁芯具有单位长电感量大的优点，或者说，满足既定电感量要求的线长可短些。这意味着，对于一定的下限频率，双孔磁芯变压器的上限频率可以

27、做的更高些。但是在实际选用双孔磁芯时要注意一个问题，变压器绕组只有绕在双孔磁芯的公共臂上才具有上述优点，而公共臂尺寸是很小的，所能绕的匝数也不多，电感量上不去，因此，双孔磁芯一般只适宜作下限频率较高的宽带变压器磁芯。应当指出的是，在有的场合采用双孔磁芯并不是利用它单位线长电感大的优点，而是把它当作两个磁芯用，其目的是为了节省空间和便于固定，以及保证两个磁芯性能一致。 实际设计制作过程根据参考文献2中设计一种用于脉冲调制的短波功率变压器中给出的技术指标要求阻抗变换：75欧姆-300欧姆（均为不平衡）频率范围：5MHz-60MHz传输损耗：小于0.2电压驻波系数：小于等于1.4平均功率：200W由

28、于本设计有多种变换电路可选择，所以作者设计两种方案：一是按照文献所提供的采样最简单的双线绞绕的方法进行设计制作，二是采用三线并绕以获得准确的电感量的方式。 方法一变换电路的选择：由技术指标要求可见它是一个1：4不平衡变换。在图3中序号5、10、13等电路都可以完成这种变换，这里选用最简单的序号5的电路。变压器参数的计算：特性阻抗Z技术指标要求 =75欧姆，  =300欧姆，故双线传输线具有最佳特性阻抗              Z = 150欧姆B计算传输

29、线长度L由传输损耗的限制，双线长度大致限定在1/8之内。而上限频率为 =60MHz，所以          = 62.5cm式，C=3×1010cm/s   电磁波传输速率。C计算平均电压由于平均功率P=200W，可计算出与联系波等效的平均电压V        D计算磁芯磁路截面积 与匝数N的最小乘积     E选取磁芯和计算电感值与匝数N根据 7.8cm2和经验，本设计可初步选