1117433张硕（自考论文）

毕业设计任务书

毕业设计题目： 30KHz开关电源的高频变压器设计

学生姓名 张硕

班级学号 1117433

指导教师 李冬冬

毕业设计(论文)进行地点： 辽宁机电职业技术学院

沈阳工程学院毕业设计（论文）

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。

关键词 开关电源，高频，变压器，电磁感应

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30KHz开关电源的高频变压器设计

Abstract

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.

Key Words switching power supply, high frequency, transformer, electromagnetic induction

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目 录

中文摘要……………..…………………………………………..……….….………………..1 Abstract…………….……………………………..……………………….….………………...2 1 引言……….…………………………………………….….………………………………...5 2 高频变压器概述………..….…………………………….…..….…………………………...6. 2.1 高频变压器的工作原理及作用………………………………………………………...6 2.1.1 变压器的工作原理………………………………………………………………....6 2.1.2 高频变压器的工作原理…………………………………………………………....6 2.1.3 高频变压器的作用………………………………………………………………....6 2.2 高频变压器的定义与分类…………………………………………...………………....7 2.2.1 高频变压器的定义……………………………………………...………………. ...7 2.2.2 高频变压器的分类……………………………………………...………………. ...7 2.3 高频变压器与普通变压器的区别…………………………………...………………....7 2.4 绕制变压器的注意事项………………………………………………………………...7 3 常见的带隔离的开关电源变压器的电路原理………………………………………….. ...9 3.1 开关电源变压器………………………………………………………………..…….....9 3.1.1 开关转换器………………………………………………………………………… 9 3.1.2 开关电源……………………………………………………………….…….……...9 3.1.3 高频开关电源的基本电路组成……………………………………………. ……...9 3.2 高频电源的分类方式......................…………….…………….…………..…….……….9 3.2.1 按DC／DC转换器的开关条件…………….…………….…………..…….……… .9 3.2.2 按驱动方式…………………………………………………………….…….……...9 3.2.3 按输入与输出之间是否有电气隔离………………………………….…….……...9 3.2.4 按电路的拓扑结构…………………………………………………….…….……..10 3.3 开关电源变压器的电路原理......................…………….…………….………………...10 3.3.1正激电路……………………………………………………………….…….……...10 4 高频变压器的基本设计步骤………………………………………………….…….…….. .12 4.1 高频变压器的设计要求.............…………….…………….…………..……….…….. ..12 4.2 高频变压器的设计步骤.....................…………….…………….……………….……...12 4.2.1 磁心材料的选择…………..........…………….…………….……………….……...12 4.2.2 磁芯结构的选择…………..........…………….…………….……………….……...12 4.2.3 磁心参数ΔB的选择…………..........…………….……………….………………13 4.2.4 线圈参数的计算与选择…..........…………….…………….……………….……...13 4.2.5 组装结构的选择…………..........…………….…………….……………….……...13 4.2.6 工作点的确定………………………………………………………….…….……..14 4.2.7 变压器磁芯的具体计算方.........…………….…………….……………….……... 14 4.2.8 实际高频变压器的设计过程......…………….…………….……………….……...14 5 30KHz高频开关电源变压器设计……………………………………………….…….…….15 5.1 变压器的性能指标............…………….…………….…………..…………….….…… .15 5.2 变压器磁芯的选择............…………….…………….…………..…………….….…… .15

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30KHz开关电源的高频变压器设计

5.3 工作点的确定……............…………….…………….…………..…………….….…… .16 5.4 工作过程........……............…………….…………….…………..…………….….……. 16 5.5 变压器主要参数的计算.........…………….…………….…………..………….….…….16 5.5.1 变压器的计算功率………… ……….…………….…………..………….….……. 16 5.5.2 变压器的设计输出能力 ………….…… ……….………..…………….….………16 5.5.3 绕组计算…………………… ……….…………….…………..………….….……. 16 5.5.4 导线线径…………………… ……….…………….…………..………….….……. 17 5.6 线圈绕制.....................…………….……………. …… ……..………….….…….……. 17 5.7 线圈绝缘.....................…………….……………. …… ……..………….….…….……. 17 5.8 效果检测.....................…………….……………. …… ……..………….….…….……. 18 5.8.1 温升校核...............…………….…………….…… ……..………….….…….……. 18 5.8.2 检测结果...............…………….…………….…… ……..………….….…….……. 18 结论………….………….……………………..….……...………..….………... ….…….……. 19 致谢……………….……………………..…….…………...…………………. ..….…….……. 20 参考文献.…………….…………………..….…..……………….………….…….…….………21 附录A1.1开关电源变压器原理图…………….…….………….……….………….…………22 附录A1.2主电路图.…….…..……………….………….…….………….……….……………23 附录A1.3高频变压器静态测试参数…………….………….…….………….……….………24

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1 引言

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，开关电源高频化技术就是实现这个目标的主要因素。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。

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30KHz开关电源的高频变压器设计

2 高频变压器概述

2.1 高频变压器的工作原理及作用

2.1.1 变压器的工作原理

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。

2.1.2 高频变压器的工作原理

高频变压器是作为开关电源最主要的组成部分。开关电源一般蚕蛹半桥式功率转换电路，工作是两个开关三极管轮流导通来产生100kHz高频脉冲波，然后通过高频变压器进行降压，输出低电压的交流电，高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电压的多少。

典型的半桥式变压电路中最为显眼的三只高频变压器：主变压器、驱动变压器和辅助变压器（待机变压器）每种变压器在国家规定中都有各自的衡量规范，比如主变压器，只要是200W以上的电源，器磁芯直径（高度）就不得小于35mm；而辅助变压器，电源功率不超过300W是器磁芯直径达到16mm就够了。

2.1.3 高频变压器的作用

高频变压器是工作频率逾越中频（10kHz）电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源盒高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的按工作频率高低，可分为几个档次：10kHz-50kHz、50kHz-100kHz、100kHz-500kHz、500kHz-1MHz、1MHz以上。传送功率比较大的工作频率比较低；传送功率比较小的工作频率比较高。高频率的电源变压器是降低电源系统体积、提高电源输出功率比的关键因素。

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2.2 高频变压器的定义与分类

2.2.1 高频变压器的定义

高频变压器是相对于音频和工频变压器而言的。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。

2.2.2 高频变压器的分类

2.2.2.1 按频率范围分类

(1) 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； (2) MHz级高频变压器，它是指工作频率在1MHz以上的高频变压器。

2.2.2.2 按工作频带分类

(1) 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；

(2) 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。

2.3 高频变压器与普通变压器的区别

(1) 电源电压不是正弦波，而是交流方波，初级绕组中电流都是非正弦波。

(2) 变压器的中作频率比较高，通常都在几十赫兹，甚至高达几十万赫兹。在确定铁芯材料及损耗时必须考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的影响。

(3)绕组线路比较复杂，多半都有心抽头。这不仅增大了初级绕组的尺寸，增大了变压器的体积和重量，而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化。

2.4 绕制变压器的注意事项

(1) 保证即使输入电压最大，主开关器件导通时间最长，也不至于是变压器的磁芯饱和。 (2) 保证初级线圈与次级线圈的耦合要好，漏电感要小。。

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30KHz开关电源的高频变压器设计

(3) 保证高频开关变压器会因集肤效应导致电线的阻值增大，因而要减小电流密度。 (4) 保证采用铁氧体磁芯E128时，要把Bm控制在3kGs以下。

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3 常见的带隔离的开关电源变压器

3.1 开关电源变压器

3.1.1 开关转换器

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。

3.1.2 开关电源

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。

3.1.3 高频开关电源的基本电路组成

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。

3.2 高频开关电源的分类方式

3.2.1 按DC／DC转换器的开关条件

(1)硬开关(Hard Switching) (2) 软开关(Soft SWI TCHING) 3.2.2 按驱动方式

(1) 自激式 (2) 他激式

3.2.3 按输入与输出之间是否有电气隔离

(1) 隔离式

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30KHz开关电源的高频变压器设计

(2) 非隔离式

3.2.4 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。

3.3 开关电源变压器的电路原理

3.3.1 正激电路

图2-1正激电路

3.3.1.1 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；

3.3.1.2 变压器的磁芯复位

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。

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3.3.1.3 正激电路的理想化波形

图2-2正激电路的理想化波形

变压器的磁芯的复位时间为：TIST=N3*Ton/N1

输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：TIST=N3*Ton/N1

3.3.1.4 磁心复位过程

图2-3磁心复位过程

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30KHz开关电源的高频变压器设计

4 开关电源的高频变压器基本设计思路

4.1 高频变压器的设计要求

（1）高频变压器的的4项设计要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本 。 （2）高频变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁心的磁致伸缩，高频变压器产生电磁干扰的原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。

4.2 高频变压器的设计步骤

4.2.1磁心材料的选择

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。

4.2.2磁心结构的选择

4.2.2.1 磁心基本结构

（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。 （3）C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。

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4.2.2.2 选择磁心结构应考虑的因素

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。

4.2.3磁心参数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。

4.2.4线圈参数的计算与选择

（1）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。

（2）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。

（3）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。

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30KHz开关电源的高频变压器设计

4.2.5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。

4.2.6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。

4.2.7变压器磁芯的具体计算方法

用AP法计算高频变压器铁芯。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。

4.2.8实际高频变压器的设计过程

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

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30KHz开关电源的高频变压器设计

致 谢

感谢李老师对我的毕业论文的题目选择以及系统设计的指导。在写论文的过程中也给了我很多的建议。多次查看我的论文，并指出我设计中的错误或不足之处，并有耐心的帮助我找出问题的原因、帮助我解决问题，不厌其烦的回答我的各种问题。感谢老师多次精心的点拨和热忱的鼓励。在此，向王老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。

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

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三年同窗的同学。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！

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沈阳工程学院毕业设计（论文）

参考文献

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30KHz开关电源的高频变压器设计

附 录 A1.1开关电源变压器原理图

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附 录 A1.2主电路图

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30KHz开关电源的高频变压器设计

附 录 A1.3高频变压器静态测试参数

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