1、武汉理工大学毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目 大功率 DC/DC 用高频变压器的优化设计 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 自动化 学生姓名： 指导教师： 武汉理工大学毕业设计（论文）武汉理工大学本科生毕业设计（论文)任务书学生姓名： 专业班级： 自动化 指导教师： 工作单位： 自动化学院 设计(论文)题目: 大功率 DC/DC 用高频变压器的优化设计设计（论文）主要内容：对大功率高频变压器进行优化设计，研究高频变压器的优化设计方法。分析变压器用磁芯材料的特性及区别。讨论绕组线径、匝数、变压器损耗、分布参数等对变压器性能、重量和体积的影响，结合实际的电源系统提出完整的优化设计方法与步
2、骤。要求完成的主要任务:1了解全桥式 DC/DC 的电路图工作原理，输入电压范围29VDC72VDC，输出电压 310VDC400VDC，额定输出功率3.5kW，开关频率为 20kHz，稳态工作时输出电压脉动峰峰值200mV；2了解变压器的基本构造和工作原理，相关 DC/DC 配套变压器容量为35004000VA，变压器目标工作效率98%，整机目标效率90%；3分析变压器磁芯的特性，选择合适的变压器磁芯；4分析变压器的损耗和影响变压器损耗的因素，通过给定数据设计变压器；5撰写毕业设计论文，字数不低于 15000 左右；6完成英文翻译 2 万字（其中汉字 5000 字） ；7参考文献 10 篇以
3、上（其中外文文献 2 篇以上） 。必读参考资料：1 刘胜利.高频开关电源实用新技术M.南京：南京航天航空大学出版社南京.2 马昌贵 .开关电源变压器极其磁芯的发展J.磁性材料与器件 ,Vol.30 No 6.19993 刘凤君.现代高频开关电源技术及应用M.北京：电子工业出版社.3 王瑞华.脉冲变压器设计M.北京：科学出版社，1996.4 伊克宁.变压器设计原理M.北京：中国电力出版社，2003.武汉理工大学毕业设计（论文）指导教师签名： 系主任签名： 院长签名（章）： 武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）高频开关电源是指电压调整功率的器件，是以
4、高频开关方式工作的一种直流稳压电源，它利用高频开关功率器件通过转换技术而制成的高频开关直流稳压电源,简称“ 开关电源“ 。现代电源技术是应用电力电子半导体器件、综合自动控制、计算机( 微处理器) 技术和电磁技术的多学科交叉技术，在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。 对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，
5、更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以下 4 种发展方向：(1)高频化。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频 50Hz 提高到20kHz，提高 400 倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5-l0%。无论是逆变式整流焊机，还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统“ 整流行业“ 的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造，成为“
6、开关变换类电源“ ，其主要材料可以节约90%或更高，还可节电 30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。 (2)模块化。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准“ 功率模块(SPM) 。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中武汉理工大学毕业设计（论文）去，构成了“智能化“ 功率模块 (IPM)，不但缩小了整机的体积
7、，更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用“ 功率模块 (ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计，达到优化完美的境地。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。 (3)数字化。在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子
8、技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的，特别是：诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC) 等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源，需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。 (4)绿色化。电源系统的绿色化有两层含义：先是显著节电，这意味着发电
9、容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如 IEC555、IEC917、IECl000 等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20 世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。这些为 2l 世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 总而言之，开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着开关电源技术的成熟，实现高效
10、率用电和高品质用电相结合。这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。高频变压器是 DC/DC 的核心部件，是实现能量转换和传输的主要器件，又是 DC/DC 要占有者和发热源，随着 DC/DC 的高频化，变压器的分布参数对电源系统性能的影响变得越来越重要；同时大功率化带来的绝缘和散热问题，也武汉理工大学毕业设计（论文）增加了高频变压
11、器的设计难度，并成为影响 DC/DC 系统的寿命和可靠性的重要因素。因此，高频变压器的优化设计是实现 DC/DC 高频化和高功率密度化目标的关键。2、基本内容和技术方案高频变压器是 DC/DC 的核心部件，是实现能量转换和传输的主要器件，又是 DC/DC 要占有者和发热源，随着 DC/DC 的高频化，变压器的分布参数对电源系统性能的影响变得越来越重要；同时大功率化带来的绝缘和散热问题，也增加了高频变压器的设计难度，并成为影响 DC/DC 系统的寿命和可靠性的重要因素。因此高频变压器的优化设计已成为 DC/DC 高频化和高功率密度化的关键，而要实现高频变压器的优化设计不仅要从变压器本身出发，选取
12、低损耗、高磁密的磁心材料，合理选取绕组线径和匝数，以减小变压器的重量和体积，还要将变压器的优化和电源系统的优化紧密结合起来。对于本文高频变压器的优化设计的内容可归纳为以下几点：(1)全桥隔离式 DC/DC 进行分析，了解其工作原理和电路图，并对不同时段的电路情况作出详细的分析；(2)对变压器的磁芯进行比较，分析影响变压器性能的各项参数，选择DC/DC 所需要的磁芯；(3)了解变压器的原理，分析变压器绕组和磁芯的损耗以及其变压器性能的影响，对变压器的设计做初步的分析；(4)根据所给参数计算变压器的各项参数，从而实现对变压器的优化设计3、进度安排第 12 周： 毕业实习，撰写毕业实习报告；第 34
13、 周： 翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告；第 5 周： 确定最终方案，并进行可行性分析；第 68 周： 硬件设计及程序代码编制；第 9 周： 中期检查；第 1011 周： 综合调试，根据结果完善系统；第 1214 周： 完成论文撰写；第 15 周： 论文答辩；第 16 周： 论文装订武汉理工大学毕业设计（论文）4、指导教师意见同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。武汉理工大学毕业设计（论文）指导教师签名： 年 月 日 武汉理工大学毕业设计（论文）目录摘要 1ABSTRACT21 绪论 .31.1 本课题的
14、研究背景和意义 31.2 国内外研究现状 41.3 本文研究的主要内容 62 全桥隔离式 DC/DC 的工作原理 .72.1 电路组成和工作原理 .72.1.1 电路组成 .72.1.2 工作原理 73 高频变压器的工作原理及特性分析 113.1 工作原理及分类 .113.1.1 变压器的结构 113.1.2 变压器的原理 123.1.3 变压器的负载运行和电流变换 133.1.3 变压器的分类 143.2.高变压器磁芯分析 153.2.1 软磁材料的发展历程 153.2.2 DC/DC 对磁心材料的要求 163.2.3 磁心损耗特性 .183.3 高频开关电源变压器绕组分析 .183.3.1
15、 绕组损耗 183.3.2 绕组结构 194 桥式 DC/DC 高频变压器的优化设计 .224.1.1 影响变压器效率的因素 224.2.1 3.5kW 全桥隔离型 DC/DC 用高频变压器的参数设计 .24结束语 28参考文献 29致谢 31武汉理工大学毕业设计（论文）1摘要随着电源技术的不断发展，高频化和高功率密度化已成为 DC/DC 系统的研究方向和发展趋势。变压器是 DC/DC 的核心部件，并且随着频率和功率的不断提高，其对整个系统的性能产生影响也日益重要。因此，大功率高频率变压器的优化设计是实现 DC/DC 系统的发展目标的关键。本文针对大功率高频变压器进行优化设计，寻求高频变压器的
16、优化设计方法。首先文本分析了 DC/DC 的工作原理，比较了不同矩形比磁芯材料在该工作状态下磁通密度的工作范围，为高频变压器磁芯材料选取提供了指导原则。然后在对变压器磁芯和绕mB组进行详细分析的基础上，分析了变压器损耗，分布参数，体积和重量的计算程序，从解析角度出发，初步实现了高频变压器的优化设计。并对 3.5KW 全桥隔离型 DC/DC 用高频变压器进行优化设计。关键字：DC/DC 高频变压器；大功率；优化设计武汉理工大学毕业设计（论文）2ABSTRACTWith the continuous development of power technology, high-frequency a
17、nd high power density have become the DC/DC systems research direction and the trend of development. Transformer is DC / DC core components, and with the rising frequency and power, its impact on overall system performance is also more and more important. Therefore, high power and high frequency tra
18、nsformer optimization design is the key to achieve DC / DC system development. This article carries on the optimization design in view of the high efficiency high-frequency transformer, seeks high-frequency transformers optimization design method. First, the article has analyzed the work principle o
19、f PWM pattern and compared operating region of magnetic-flux density with the different rectangle proportion of the magnetic core material under this active status, providing the guiding principle of the selection of the magnetic core material of high-frequency transformer. Then on the basis of deta
20、iled analysis in the transformer core and windings, the article analyzes the transformer loss, the distribution parameters, volume and weight of the computer program. From the analytical point of view, it has realized high-frequency transformers optimization design initially. And it carries on the o
21、ptimization design to 3.5KW and full-bridge isolated DC / DC high-frequency transformer.Key Words: DC/DC High-frequency transformer High Power optimal design武汉理工大学毕业设计（论文）31 绪论1.1 本课题的研究背景和意义高频开关电源是指电压调整功率的器件，是以高频开关方式工作的一种直流稳压电源,它利用高频开关功率器件通过转换技术而制成的高频开关直流稳压电源，简称“开关电源“ 。现代电源技术是应用电力电子半导体器件、综合自动控制、计算机
22、(微处理器)技术和电磁技术的多学科交叉技术，在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等) 的核心技术。由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以下 4 种
23、发展方向：(1)高频化。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频 50Hz 提高到 20kHz，提高 400 倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统“整流行业“ 的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源“，其主要材料可以节约 90%或更高，还可节电 30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材
24、料的经济效益,更可体现技术含量的价值。 (2)模块化。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“ 标准“ 功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化“ 功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺) 。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用“ 功率模块(AS
25、PM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计，达到优化完美的境地。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。 (3)数字化。在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计武汉理工大学毕业设计（论文）4算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信
26、号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的，特别是：诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。 (4)绿色化。电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能(或少 )对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如IEC555、IEC
27、917、IECl000 等。事实上，许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20 世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。这些为 2l 世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。总而言之,开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着开关电源技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋。因此，同样
28、具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。高频变压器是 DC/DC 的核心部件，是实现能量转换和传输的主要器件，又是 DC/DC要占有者和发热源，随着 DC/DC 的高频化，变压器的分布参数对电源系统性能的影响变得越来越重要；同时大功率化带来的绝缘和散热问题，也增加了高频变压器的设计难度，并成为影响 DC/DC 系统的寿命和可靠性的重要因素。因此，高频变压器的优化设计是实现 DC/DC 高频化和高功率密度化目标的关键 12。1.2 国内外研究现状1980 年以前，DC/DC 转换器的开关频
29、率为 2050KHz，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 3；八十年代国外DC/DC 频率就已经在 1 10MHz；二十世纪末期，国外 DC/DC 的功率也迅速得到提高，1030KW 的大功率 DC/DC 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 140KW 开关电源 4。目前国外 0.53MHz 的高频DC/DC 已实用化 56，200500KHz 已成为输出 100W 以下 DC/DC 的标准开关频率，开关电源的功
30、率密度己向 120W/ 的目标发展 3。3inDC/DC 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：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武汉理工大学毕业设计（论文）5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 7，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：对于谐振式
31、变换器来说，可以对变压器中的分布参数加以吸收或利用，全部作为谐振参数或其中的一部分，且解决了减小漏感和保证绝缘强度这一矛盾，因此在这种工作模式下，需要准确预测漏感和分布电容的值，以满足电源系统对谐振参数的要求。可见在高频化和高功率密度化的过程中，变压器的优化设计关键在于解决以下问题：合理选取高频磁性材料和磁心绕组的结构；准确计算磁心和绕组损耗；准确计算高频变压器漏感和分布电容；合理设计冷却系统。高频变压器中最常用的软磁材料有铁氧体、坡莫合金和非晶态合金。软磁材料在工业中的应用始于 19 世纪末，20 世纪 20 年代出现了坡莫合金，40 年代生产出了软磁铁氧体材料，进入 70 年代又兴起了非晶
32、态软磁合金和纳米晶材料 8。各种磁性材料均有其特点和最佳应用环境，因此进行高频变压器设计的首要问题是根据磁心的工作条件选取最佳的磁性材料。高频变压器参数的计算方法可分为两类：一类是解析法，一类是数值模拟。1966 年Dowell 提出了著名的 Dowell 模型，用于计算交流电阻与直流电阻之间的换算系数 9。用这一模型可以方便计算绕组的高频损耗，此后众多学者又通过引入修正系数的方式对Dowell 模型做了修改和发展 1011。1892 年 Steinmetz 提出了著名的用于计算磁心损耗的经验公式，该经验公式中的参数由磁心在若干频率和磁密点下的损耗测量值经曲线拟合得到。在此基础上，Mulder
33、 等人分别考虑了温度和非正弦电压波形对磁心损耗的影响，对Steinmetz 公式进行了修改和推广 1213。此后，众多企业和科研机构分别对纳米晶合金软磁材料的损耗进行了分析，并拟合出不同频率范围下纳米晶合金的 Steinmetz 公式 14。近年来高频变压器中分布参数的解析求解成为众多学者研究的热点，其解析公式是根据变压器中漏磁场和静电场中所存的能量通过理论推导得出的，目前已存在不同磁心结构和绕组结构下的漏感计算公式 1516。高频变压器中分布电容的建模方法可归结为两类：第一类是从静电场的角度将双绕组变压器视为三端口系统，在变压器等效电路中引入六个电容来表示分布电容，它们可以通过静电场中储存的
34、能量计算出来；第二类从分布电容对变压器带来的物理效应出发，将分布电容等效为三个集总电容构成的万形网络，这三个集总电容可进一步简化为一个并联电容，这两类模型均有相应的计算公式和测量方法。目前，利用数值模拟方法设计高频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，其目标是得到一些指导性的设计原则。后者更适于采用三维分析，目标是得到高频变压器设计中某些不易计算量的精确值，最终达到在一定程度上替代实验的目的。常用的变压器数值模拟方法有有限差分法、有限元法、边界元法等，可以有效地武汉理工大学毕业设计（论文）6分析绕组中的高频效应、绕组损耗、变压器电磁场分布、分布参数和温升等 17。二十世纪六十
35、年代以来，求解电磁场的各种数值方法迅速发展起来。有限差分法因其数学概念简单、形成系数矩阵方便，最早应用于电磁场计算，至六十年代末，已有比较成熟的分析变压器漏磁场的二维有限差分程序。但有限差分法的规则网格不能满意地模拟几何形状复杂的问题，因此该方法在电磁场分析中的应用逐渐被有限元法代替。二十世纪七十年代，有限元法逐渐发展起来，并因网格剖分灵活、数值稳定性好等特点很快成为计算电磁场问题的主要方法。Dai 有限元方法，研究了绕组间隙及初级绕组的宽度对边缘效应的影响，得出漏感随绕组间隙增大而单调递增的结论 18；Layers 有限元方法，研究了变压器的铜损与电流波形的关系，通过大量分析指出波形对绕组的
36、交流电阻有很大的影响 191；Tenyenhuis 等人通过二维有限元分析，研究了变压器的温升 20， 21把有限分析推广至 3D，更适于解决复杂的边界结构和材料性质的不连续问题。国内众多学者也分别采用有限元法对高频变压器的设计进行了研究，如赵争菡等人使用 MATLAB 的电场分布进行了的二维有限元分析，进而根据电场能计算了分布电容的值 22；电子科技大学的姬海宁等人对开关电源变压器磁心漏磁场进行了三维定性分析，并对磁心表面温升进行了三维仿真研究 2324。1.3 本文研究的主要内容高频变压器的优化设计已成为 DC/DC 高频化和高功率密度化的关键，而要实现高频变压器的优化设计不仅要从变压器本
37、身出发，选取低损耗、高磁密的磁心材料，合理选取绕组线径和匝数，以减小变压器的重量和体积，还要将变压器的优化和电源系统的优化紧密结合起来。对于本文高频变压器的优化设计的内容可归纳为以下几点：(1)全桥隔离式 DC/DC 进行分析，了解其工作原理和电路图，并对不同时段的电路情况作出详细的分析；(2)对变压器的磁芯进行比较，分析影响变压器性能的各项参数，选择 DC/DC 所需要的磁芯；(3)了解变压器的原理，分析变压器绕组和磁芯的损耗以及其变压器性能的影响，对变压器的设计做初步的分析；(4)根据所给参数计算变压器的各项参数，从而实现对变压器的优化设计。武汉理工大学毕业设计（论文）72 全桥隔离式 D
38、C/DC 的工作原理全桥变换器因功率管的不一致性以及驱动电路的分散性，容易使高频变压器原边的正负脉冲电压不对称，产生直流偏磁，若不采取措施加以抑制，长时间工作，变压器磁芯会饱和，使功率开关管损坏。为此，可采用峰值电流控制模式抑制变压器的直流偏磁，这种方法虽然有效，但电路抗干扰性能差，对噪声敏感，且容易使电路振荡，一般情况下不采用这样控制模式。通常，在采用电压模式控制的全桥变换器中，在变压器原边串联一无极性的电容，滤除引起变压器直流偏磁的直流电压，从而达到抑制直流偏磁的目的。2.1 电路组成和工作原理2.1.1 电路组成全桥隔离式 DC/DC 是利用功率开关管的寄生电容或外接电容和变压器的漏感或
39、原边串联电感作为谐振元件四个开关管实现零电压开通和零电压关断（也称准零电压关断），其电路结构如图 2.1 所示。图2-1 全桥式DC/DC变换器的主电路图图 2.1 中，FUELCELL 是直流输入电压；Q1-Q4 是四个主功率开关管； D1 和 C1-C2分别是 Q1-Q4 的反并联二极管和并联电容；LIK 是变压器原边串联的谐振电感，包括变压器的漏感；Cg 是原边隔直电容，用以防止变压器直流偏磁现象发生；T1 为高频变压器；D5,D6 是副边整流二极管；Lo1 和 Co 分别 是输出滤波电感和滤波电容；LOAD 是负武汉理工大学毕业设计（论文）8载2.1.2 工作原理在一个开关周期中，全桥
40、变换器可分 8 中工作模式，再次我们只分析 2 个工作模式，在分析之前，假设：(1) ；12leadC(2) ，n 为变压器原，副边变比；1okL:(3)变压器励磁电流 ；0mi(4)开关管导通压降为零。A工作模式 1 时段， 时刻，原边电流 反向增加到 0 隔直电容电压达到负的最大值0t0tpi时刻之后， 由 0 开始正向增加，电流通路为 。cbpV:pi 14kbin inVQLCV 此时段内， 增加，副边绕组 1 的电流毛也在增加，但 因此副边整流二极管珧在pi si导通续流，变压器副边绕组被短路，导致原边绕组电压也为零。此时， ， 和ABinAB直接作用在谐振电感三 上，有cb 1kL
41、(2-1)1ptkincbdVt(2-2)cpbtvitC解式 2-1 和 2-2，并代入初始条件 ， 得0it0cCbpV(2-3)1oscbinibpVvwt(2-4)1inicptZ在时刻 时刻， 上升 ， ，整流二流管 管断，此工作模式1tpi1I51DLitnitit6D结束。参考图 2-2，可知 ，由式（2-4）得此工作模式持续时间/2LtI为：(2-5)11sinoicbpIZtVv设 时刻， = ，将式（2-5）代入式（2-3 ）中得：1t1cbvtV(2-6)211 1cbinicbpvt IZ考虑到 ，因此上式可写为：221incbpIZ:武汉理工大学毕业设计（论文）9(2
42、-7)11cbcbpVvt联立方程（2-1）和（2-7 ）并代入条件得：(2-8)01/2LincbpItB工作模式 2 时段， 时刻 Q1 管断，原边电流从 Q1 中转移到 C1 和 C2 支路中，给 C12t3t充电，C2 放电。因电容电压不能突变，Q1 实现准零电压管断。电流流通回路为， ，在这个时段， ， 的电压电流为：1inVC214kbinLCQV1C2（2-9)2cticvvt(2-10)11cdt(2-11)22ccviCt将（2-9 ）代入（2-10 ）得：(2-12)21ccdvti由 KCL 得，图 2-1 中满足:(2-13)12ccpitti将式（2-11 ）代入（2
43、-12 ）中得:(2-14)221ccpdvttCit整理得(2-15)2cleadpvtit同时，原边电流 和隔直电容电压 满足picb(2-16)20peccbitLvtnVvtd(2-17)bpCitt由式 2-16 和 2-17 可看出，此时段电路处于一个很复杂的谐振过程，实际上，考虑到输出滤波 Lo1 很大，课认为在此时段内原边电流基本不变， ，类似恒流源，因此可piI近似认为电压 在 作用下线性下降， 在 的作用下线性上升，既有：2cvpi cbvpi武汉理工大学毕业设计（论文）10(2-18)2pinleadIVtC(2-19)2pcbbIttV在 时刻， 的电压下降到零， 的反
44、并联二极管 自然导通，工作模式 3 结束。3t2C2QD此时， =0，变压器原边电压为零,解（2-19）得该模式的时序实际为ABV(2-20)23leadinpCVtI设 时候 上升到 ，将式（2-21）代入（2-19）得3tcb3V(2-21)332leadincbbtC从上述分析可知，Q1 和 Q2 的驱动信号死区时间应满足 ，既23dleatt(2-22)leadindleapVtI武汉理工大学毕业设计（论文）113 高频变压器的工作原理及特性分析3.1 工作原理及分类变换电能以及把电能从一个电路传递到另一电路的静止电磁装置称为变压器，世界上第一台变压器在 1885 匈牙利。在交流电路中
45、，借助变压器能够变换交流电压、电流和波形。变压器在电子设备中占有很重要的地位，电源设备中交流电压和直流电压几乎都由变压器通过变换整流而获得。在电路的隔离、匹配及阻抗变换等方面绝大多数是通过变压器来实现的。变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件，它具有变压、 变流和变阻抗的作用。 变压器的种类很多， 应用十分广泛。 比如在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高后进行远距离输电， 到达目的地后再用变压器把电压降低以便用户使用， 以此减少传输过程中电能的损耗； 在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器改变市电电压, 再通过整流和滤波， 得到电路所需要的直流电压； 在放大电路中用耦合变压器
46、传递信号或进行阻抗的匹配等等。 变压器虽然大小悬殊，用途各异, 但其基本结构和工作原理却是相同的。3.1.1 变压器的结构变压器由铁心和绕组两个基本部分组成， 如图 3-1 所示， 在一个闭合的铁心上套有两个绕组， 绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。图3-1 变压器变压器的铁心由 0.350.5mm 厚的硅钢片交错叠装而成， 图 3-2 为几种常见的铁心形状。绕组一般采用绝缘铜线或铝线绕制，其中与电源相连的绕组称为原绕组（或称为原边、 初级）；与负载相连的绕组称为副绕组（或称为副边、次级）。按铁心和绕组的组合结构可分为心式变压器和壳式变压器，如图 3-3 所示。 心式变压器的铁心被绕
47、组包围，而壳式变压器的铁心则包围绕组。武汉理工大学毕业设计（论文）12图3-2 变压器的铁芯图3-3 变压器的结构形式3.1.2 变压器的原理空载运行和电压变换如图 3-4 所示, 将变压器的原边接在交流电压 上, 副边开路, 1u这种运行状态称为空载运行。此时副绕组中的电流 =0, 电压为开路电压 , 原绕组通2i 20过的电流为空载电流 , 电压和电流的参考方向如图所示。图中 为原绕组的匝数， 10i 1N2N为副绕组的匝数。图3-4 变压器的空载运行副边开路时,通过原边的空载电流 就是励磁电流。磁动势 在铁心中产生的主磁2i 10iN通 既穿过原绕组,也穿过副绕组, 于是在原、副绕组中分
48、别感应出电动势 和 。且 1e2和 与 的参考方向之间符合右手螺旋1e2 定则,由法拉第电磁感应定律可得：武汉理工大学毕业设计（论文）13(3-1)1deNt(3-2)2t和 的有效值分别为:1e2(3-3)114.mEfN(3-4)22式中 f 交 流电源的频率, 为主磁通的最大值。m如果忽略漏磁通的影响并且不考虑绕组上电阻的压降时, 可认为原、副绕组上电动势的有效值近似等于原、副绕组上电压的有效值, 即(3-5)1UE(3-6)2因此:(3-7)11 120224.mfNKE由式 3-7 可见，变压器空载运行时，原、副绕组上电压的比值等于两者的匝数之比，k 称为变压器的变比。 若改变变压器原、副绕组的匝数，就能够把某一数值的交流电压变为同频率的另一数值的交流电压。(3-8)2011NUK当原绕组的匝数 比副绕组的匝数 多时, k1，这种变压器为降压变压器；反之，1N2当 的匝数少于 的匝数时，k1.5 0.7 0.5-0.8 1.2 2.0 0.5-1.5 415 250 320 560 730 400 550 410 480 510电阻率 cm140 125 140 90 50 55 106密度 3/gc7.18 7.5 8.0 7.25 7.65 8-8.8 4.8硬度 /2hm860 640 900 880 120 600饱和磁致伸缩系
