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:[1**********]8

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

目 录

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

Abstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

1.国内外研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

2.高频变压器的基本原理及其作用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

3.常见的带隔离的开关电源中变压器的作用„„„„„„„„„„„„„„„5

3.1正激电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

3.2反激电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

3.3半桥电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

3.4全桥电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

3.5推挽电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

4.开关电源的高频变压器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

4.1高频变压器的设计原则与设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„11

4.2高频变压器的设计方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

4.3一种实际高频变压器的设计过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„15

4.4 30KHZ高频开关电源变压器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„15

结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

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

High-frequency switching power transformer design

With the continuous development of power technology, high-frequency and high power density switching power supply technology has become the research

and development trend, switching power supply transformer is the core component, and with increasing frequency and power, its power supply system

increasingly important impact on performance, so high-frequency switching

power supply switching power supply transformer design is to achieve

development goals.

This paper studies the working principle of high-frequency transformer,

function and classification. With the isolation of several commonly used in switching power supply transformer switch roles and work. And design a 30KHZ

frequency switching power supply transformers.

Keywords: switching power supply design of high-frequency transformer

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1 10MHzt ，

目前国外0．5 3MHz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

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(Switching POWER Supply)。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H 3。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(Hard Switching)和软

开关(Soft SWI TCHING)两种。

(2)按驱动方式，可分为自激式和他激式。

(3)按输入与输出之间是否有电气隔离，可分为隔离式和非隔离式。

(4)按电路的拓扑结构：①隔离式有正激式、反激式、推挽式、半桥式

和全桥式：②非隔离式有降压型、升压型和升降压型等。

3.1正激电路

电路的工作过程:

1 开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端

的电压也是上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长;

2 S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组

和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为0 .

变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加

而线性的增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在

S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位。

正激电路的理想化波形

:

变压器的磁心复位时间为:

TIST=N3*Ton/N1

输出电压:输出滤波电感电流连续的情况下:

UO/UI=N2*Ton/N1*T

磁心复位过程

:

只有少数问题能够用解析的方法求出精确解，这类问题往往是方程性质比较简单，

几何边界相当规则。而对于大多数工程技术问题，由于研究对象的几何形状比较

复杂或者问题的某些特征是非线形的，则很少有解析解。对于这类问题往往有两

种解决方法：一是将方程和边界条件简化为容易处理的问题，从而得到它在简化

状态下的解。这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化可能导致解

与实际值偏差很大或者甚至是荒谬的。另一种方法是利用计算机强大的计算能力，

使用数值模拟方法求得满足工程要求的数值解。高频开关电源变压器的设计，由

于所涉及的几个主要变量是非线性的，因此目前国内外对高频开关电源变压器的

设计主要有两类方法，一类是简化求解：一类是数值模拟。高频开关电源变压器

的设计相对于低频要复杂得多，诸如趋肤效应、邻近效应、畴壁共振等许多因素

在低频下可被忽略，而在高频下却变得十分重要。以下几个问题是高频变压器设

计中讨论最多的问题。高频开关电源变压器的设计相对于低频要复杂得多，诸如

趋肤效应、邻近效应、畴壁共振等许多因素在低频下可被忽略，而在高频下却变

得十分重要。以下几个问题是高频变压器设计中讨论最多的问题。

1.趋肤深度

当导线中流过高频交流电流时，电流将向导线表面集中，导致导线表面电流密度

增大。这种现象称为趋肤效应。由于趋肤效应，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l，e时所达到的径向深度，称之为趋肤深度。趋

肤深度与电流的频率、导线的磁导率及电导率有关，其关系为：∆=(式中．f为频率， u为导线磁导率，P为导线电阻率。其中P是—个随温度变化的

量。) 交流电阻的理论值和实测值很接近，只是实测的交流电阻值较理论值稍大

一些，这主要是由于Dowell模型假设漏磁平行导体交界面分布，这只有在导体的

宽度和厚度之比很大时才近似成立，而且也没有考虑导体之间的邻近效应以及气

隙的边缘效应。但由于理论值和实测值的偏差不大，因此还是很适用于高频变压

器绕组的交流电阻和漏感的预测。同时，许多论文对Dowell的结论做了修正和发

展指出Dowell模型虽然广泛使用，而且比较有效。可是这个著名的因子并无理论

根据，通过比较实验值与Dowell模型理论值，为Dowell交流电阻系数计算公式引

人了3个修正参数，这3个参数用来校正分析曲线，使其与实测结果更吻合。目前

常用的数值模拟方法主要有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，

其中最常用的是有限元法，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析

的可靠依据。国际著名的通用有限元软件有几十种，常用的有：SAP、ANSYS、ANSOFT、

NASTRAN、ADINA、ALGOR—FEM 等，其中ANSYS、ANSOFF、NASTRAN软件是变压器分

析中最常用的软件。利用有限元软件可以有效地分析变压器的电感、电容、涡流、

磁通密度、电流密度、电磁场分布、能量损耗、温升等。有限元分析的过程主要

有三步：前处理、求解计算及后处理。前处理阶段主要的工作是选择分析模块、

定义单元类型和材料特性、建立实体模型、对模型进行网格划分、施加载荷和边

界条件等。求解计算阶段主要的工作是选择求解类型并设置求解选项。后处理阶

段的主要工作是读取求解结果，对求解结果进行图形、列表显示等。对于变压器

的电磁场分析，主要有二(三)维谐性分析和二(三)维瞬态分析。前者适于激励源

服从一定交变规律(如正弦、余弦)的情况：后者适于激励源无规则变化的情况。

对于变压器的温升，要利用有限元软件的耦合场来分析，并且还要为软件提供变

压器的热导率、比热、对流换热系数、焓、辐射系数、生热率等。目前，利用数

值模拟方法设计高频开关电源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，其目标不是关心具体量值，而是比较在不同的情况下，某一量的变

化情况，从而得到一些指导性的设计原则。后者则重视具体的量值，尽可能通过

数值模拟方法得到高频开关电源变压器设计中某些不易计算量的精确值并和实验

值进行比较，最终达到在一定程度上替代实验的目的。因此相对于二维分析，三

维分析更适于定量分析，然而由于三维分析的复杂性，因此很多情况下也用二维

分析来进行定量分析。

2.定性分析

Dai等人加 通过二维有限元方法，研究了绕组间隙及初次级绕组的宽度对边缘效

应的影响，如图2所示。为了研究边缘效应与绕组间隙的关系，作者设计的分析模

型见图2a，其中磁芯为罐状磁芯，初次级为0．127mm (5mil)的铜薄带。通过有限

元分析，得到500kHz时不同绕组间隙下的磁场分布情况。图2b和2c所示的绕组间

隙分别为0．254mm(10mil)和0．127mm(50mil)的情况。作者由此得出结论：漏感

随绕组间隙的增大而单调递增。(c) 然而要精确地进行定量分析，现在还存在以

下困难：(1)复杂的有限元模型，尤其是三维模型，往往很难通过有限元软件本身

来建立，而是要通过该软件与CAD软件的接口去调用CAD 软件所建立的模型这里有

两个问题，首先这类CAD 软件在国内刚流行不久，很难找到合适好用的该类软件：

其次用该类CAD 软件建立的三维复杂模型，比如三维绕组模型，在调入到有限元

软件中后，有时会产生错误。(2)大型有限元模型对计算机系统资源要求很高，并

且运算时间较长。(3)不容易检查分析结果的正确性，只能与实测值进行比对。

高频变压器的设计包括:磁芯材料的选择,磁芯结构的选择,磁芯参数的设计,线圈参数的设计,组

装结构的选择和温升校核等内容。 (1) 磁芯材料的选择 设计高频变压器,选择软磁材料是关键的第一步,各种磁芯的特性比较如表1所示。高频变压器

磁芯一般使用软磁材料。软磁材料有较高磁导率,低的矫顽力,高的电阻率。磁导率高,在一定线

圈匝数时,通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度,线圈就能承受较高的外加电压,因此

在输出功率一定的情况下,可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低,磁滞回环面积小,则铁耗也少[4]。电

阻率高则涡流小,铁耗也小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体,和其它软磁磁芯材料一样,软磁铁

氧体的优点是电阻率高、交流涡流损耗小,价格便宜,易加工成各种形状的磁芯,缺点是工作磁通密度低、磁导率不高、磁致伸缩大、对温度变化比较敏感。它适合高频下使用,因此高频变压

器一般采用铁氧体材料作为磁芯。

(2) 磁芯结构的选择

磁芯基本结构有:①叠片,通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成E、I、F、O等形状,

叠成一个铁芯。②环形铁芯,由O型薄片叠成,也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕

而成。③C形铁芯,此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺点,由二个C型铁芯对接而成。④罐形铁芯,它是磁芯在外,铜线圈在里,免去环形线圈不便的一种结构形式,可以减少EMI。缺点是内部线圈散热不良,温升较高。高频变压器设计时选择磁芯

结构应考虑的因素:降低漏磁和漏感,增加线圈散热面积,有利于屏蔽,线圈绕线容

易,装配接线方便等。在高频变压器磁芯结构设计中,对窗口面积的大小,要综合考虑各种因素后来决定。为了防止高频电源变压器从里向外和从外向里的电磁干扰,有些磁芯结构在窗口外面有封闭和半封闭外壳。封闭外壳屏蔽电磁干扰作用好,但散热和接线不方便,必须留有接线孔和出气孔。半封闭外壳,封闭的地方起屏蔽电

磁干扰作用,不封闭的地方用于接线和散热。如果窗口完全开放,接线和散热方便,屏蔽电磁干扰作用差。

(3) 磁芯参数ΔB的选择

高频变压器磁芯参数选择时,必须注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制,

还要受损耗的限制,同时还与功率传送的工作方式有关。对于磁通单方向变化的工作模式: ,ΔB既受饱和磁通密度限制,又受损耗限制。对于磁通双方向变化的工作模式: ,工作磁滞回线包围的面积比局部回线大得多,损耗也大得多,ΔB主要受损

耗限制,而且还要注意出现的直流偏磁问题。对电感器功率传送方式,磁导率是有

气隙后的等值磁导率,一般都比磁化曲线测出的磁导率小。

(4) 线圈参数的计算与选择

高频变压器的线圈参数包括:匝数、导线截面(直径)、导线形式、绕组排列和绝缘安排。原绕组匝数根据外加激磁电压或者原绕组激磁电感(储存能量)来决定,匝数不能过多也不能过少。如果匝数过多,会增加漏感和绕线工时;如果匝数过少,在外加激磁电压比较高时,有可能使匝间电压降和层间电压降增大,而必须加强绝

缘。副绕组匝数由输出电压决定。导线截面(直径)决定于绕组的电流密度。还要

注意的是导线截面(直径)的大小还与漏感有关。高频变压器的绕组排列形式有:①如果原绕组电压高,副绕组电压低,可以采用副绕组靠近磁芯,接着绕反馈绕组,原

绕组在最外层的绕组排列形式,这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排;②如果要增

加原和副绕组之间耦合,可以采用一半原绕组靠近磁芯,接着绕反馈绕组和副绕组,最外层再绕一半原绕组的绕组排列形式,这样有利于减少漏感。另外,当原绕组为

高压绕组时,匝数不能太少,否则,匝间或者层间电压相差大,会引起局部短路。对

于绝缘安排,首先要注意使用的电磁线和绝缘件的绝缘材料等级要与磁芯和绕组

允许的工作温度相匹配。等级低,满足不了耐热要求,等级过高,会增加不必要的材料成本。其次,对在圆柱形磁路上绕线的线圈,最好采用线圈骨架,既可以保证绝缘,又可以简化绕线工艺。另外,线圈最外层和最里层,高压和低压绕组之间都要加强

绝缘。如果一般绝缘只垫一层绝缘薄膜,加强绝缘应垫2～3层绝缘薄膜。

(5) 组装结构的选择

高频变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯,都采用卧式组装结构,上下表面比较大,有利于散热;其它的都采用立式结构。另外,组装结构中采用的夹件和接线端子等尽量采用标准件,以便于外协加工,降低成本。

(6) 工作点的确定

对于新买来的磁芯,由于厂家提供的磁感应强度值并不准确,一般先要粗略测试它,具体方法:将调压器接至原线圈,用示波器观察副线圈输出电压波形,将原线圈的输入电压由小到大慢慢升高,直到示波器显示的波形发生奇变,此时磁芯已饱和,根据公式:U=4.44fN1Φm可推知在ΦM值。

(7) 变压器磁芯的具体计算方法

高频变压器铁芯的设计方法有几种,这里我们介绍一种AP法。主要过程:先是求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积AE的乘积AP,再根据AP值,查表找出磁性材料的编号,然后选择合适的铁芯材料。

3.3. 一种实际高频变压器的设计过程

设变压器的输入电压V1=24V,功率P0=250W,效率η=0.95,输出电压V2=220V,采用E型磁芯,允许温升25℃,KJ=323, X=-0.14,饱和磁通密约为0.35T,考虑到高温时饱和磁密会下降,同时为了防止合闸瞬间高频变压器饱和,取饱和磁密的1/3为变压器的工作磁密,即BW=0.117T,设工作频率为20kHz,由计算得AP=6.65×(1+10%)≈7.28cm4,取10%裕度后,AP=8.09 cm4,查设计手册选取E17铁氧体磁芯,那么其AW=2.56cm2,Ae=3.80cm2, AP=9.73cm4满足要求。

高频变压器设计好后必须进行温升校核,温升校核可以通过计算和实物测试来进行。如果实物测试温升不超过允许温升就可以通过。如果试验温升低于允许温升15℃以上,那么要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当增加电流密度和减少导线截面。如果实物试验温升超过允许温升,则要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当减少电流密度和增加导线截面。如果增加导线截面,导致窗口绕不下,要增加磁芯尺寸。如果实物试验磁芯温升超过允许温升,则要增加磁芯的散热面积,加大磁芯。

3.4 30KHZ高频开关电源变压器设计

1 变压器的性能指标

工作频率 f：30kHz

变换器输入电压Ui:DC300V

变换器输出电压U0:DC2100V

变换器输出电流Io:0.08A

整流电路：桥式整流

占空比D：1％～90％

输出效率η:≥80％

耐压：DC12kV

温升：＋50℃

工作环境条件:－55℃～＋85 ℃

2变压器磁心的选择与工作点确定

从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢、铁氧体材料已很难满足变

压器在频率、使用环境方面的设计要求。磁心的材料只有从坡莫合金、钴基非晶

态合金和超微晶合金三种材料中来考虑，但坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为

超微晶合金的数倍，而饱和磁感应强度Bs却为超微晶合金 2/3 左右，且加工工艺复杂。因此，综合三种材料的性能比较，选择饱和磁感应强度Bs高，温度稳定性

好，价格低廉，加工方便的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。钴基非晶态合金和超微晶合金的主要磁性能比较。

磁心工作点的选择往往从磁心的材料，变压器的工作状态，工作频率，输出功率，绝缘耐压等因素来考虑。超微晶合金的饱和磁感应强度Bs较高约为1.2T，在双极性开关电源变压器的设计中，磁心的最大工作磁感应强度BM一般可取到0.6～0.7T，经特别处理的磁心，BM可达到 0.9T。在本设计中，由于工作频率、绝缘耐压、使用环境的原因，把最大工作磁感应强度BM定在0.6T，而磁心结构则定为不切口的矩形磁心。这种结构的磁心与环形磁心相比具有线圈绕制方便、分布参数影响小、磁心窗口利用率高、散热性好、系统绝缘可靠、但电磁兼容性较差。推挽电路:

工作过程:

² 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通,在绕组N1和N’1两端分别形成相位相反的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压.

² S1导通时,二极管VD1处于通态,电感L的电流逐渐上升.

² S2导通时,二极管VD2处于通态,电感L的电流也逐渐上升.

² 当两个开关都关断时,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的电流.S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍UI.

² S1和S2同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免两个开关同时导通.

3 变压器主要参数的计算

3.1 变压器的计算功率

半桥式变换器的输出电路为桥式整流时，其开关电源变压器的计算功率为： Pt=UOIO(1＋1/η)(1)

将UO=2100V,Io=0.08A,η=80％代入式（1），可得Pt=378W。

3.2 变压器的设计输出能力

变压器的设计输出能力为：

AP=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16（2）

式中：工作频率f为30kHz，工作磁感应强度BM取0.6T，磁心的窗口占空系数KW取0.2，

矩形磁心的电流密度（温升为50℃时）KJ 取468。经计算，变压器的设计输出能力

AP=0.511cm4。

3.3 变压器的实际输出能力

铁基超微晶铁心及超微晶软磁合金通过省级技术鉴定

1999 年10 月24 日，由江西省科委等机关委托主持的对江西大有科技有限公司研制的新产品DY－ON型铁基超微晶磁铁心和超微晶软磁合金通过了省级技术鉴定，获得与会专家学者的高度评价，一致认为这两项产品性能稳定，各项技术指标分别达到美国UL94－P标准和国标GBm292－89 技术要求，在国内同类产品中具有特色。非晶态（超微晶）软磁合金，是90 年代世界六大高科技新型材料之一，它具有优异的特点，目前国内市场供不应求，前景广阔。联系人：江西省宜春市东风大街62 号宜春地区粮食局（336000）方华平变压器的输出能力即磁心的输出力，它取决于磁心面积的乘积（AP），其值等于磁心有效截面积（AC）和它的窗口截面积（Am）的乘积，即：AP=ACAM(3)在变压器的设计中，变压器的输出能力必须大于它的设计输出能力。在设计中，我们选用的矩形磁心的尺寸为：10×10×39×13.4（即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），实际AP 达3.66cm4(其中磁心截面积的占空系数KC取0.7)，大于变压器的设计输出能力0.511cm4，因此，该磁心能够满足设计使用要求。

3.4 绕组计算

初级匝数：D取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs,

忽略开关管压降，Up1=Ui/2=150V。

N1=Up1Ton10－2/2BmAc=(150×16.67)10－2

/(2×0.6×1×1×0.7)=29.77 匝

取N1=30匝

次级匝数：忽略整流管压降，Up2=UO=2100V。

N2=Up2N1/Up1=(30×2100)/150=420匝

3.5 导线线径

Ip1=Up2Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A

电流密度：J=KJAP－0.1410－2=468×0.511－0.14

×10－2=5.14A/mm2

考虑到线包损耗与温升，把电流密度定为4A/mm2

（1）初级绕组：

计算导线截面积为Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2

初级绕组的线径可选d=0.63mm,其截面积为0.312mm2的圆铜线。

(2)次级绕组：

计算导线截面积为Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。

次级绕组的线径可选d=0.16mm的圆铜线，其截面积为0.02mm2。为了方便线圈绕制也可选用线径较粗的导线。

4 线圈绕制与绝缘

为减小分布参数的影响，初级采用双腿并绕连接的结构，次级采用分段绕制，串联相接的方式，降低绕组间的电压差，提高变压器的可靠性，绕制后的线圈厚度约为4.5mm。小于磁心窗口宽度13.4mm的一半。在变压器的绝缘方面，线圈绝缘选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸，提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力。变压器绝缘则采用整体灌注的方法来保证变压器的绝缘使用要求。

5 小结

该超微晶开关电源变压器，环氧灌注绝缘后通过了产品的电性能检测和机载条件的环境试验，已用于机载设备，变压器的温升

结束语

本文主要研究开关电源的高频变压器，介绍了变压器的原理和作用还有分类，研究了几种常用的开关电源中的变压器的作用及其工作原理，并通过设计30KHZ的高频开关电源变压器让我认识到写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对变压器设计的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到理论时间相结合。

总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。

参考文献

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致谢

本次毕业设计从毕业论文题目的选择、系统的设计到30KHZ开关电源的变压器的设计。其间每一过程都得到王海彦老师的细心指导，王老师经常安排见面会，兢兢业业地为我们排忧解难，多次指出我们设计中的错误，并讲解错误的原因，使我们能及时改正.帮助我们开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。对工作认真负责，不仅治学严谨而且为人师表，堪称良师益友，教给我们的不仅是知识还有待人处世的积极态度。在此，向王老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。

同学之间相互指点，在一起讨论问题，使我受益非浅。在此感谢帮助过我的同学，感谢学校给予我们良好的工作环境。

设计过程中所用到的工具书、参考资料等，都是由学校图书馆提供，在此感谢学校图书馆所有工作人员的默默支持。

感谢大学三年来对我学习、生活的关心和帮助的所有老师及共同走过四年同窗的同学。在这里请接受我诚挚的谢意！

最后还要感谢所有的答辩老师，你们辛苦了，在百忙之中还有抽时间来指导我们的毕业设计，在此向你们表示衷心的感谢！