大功率DCDC用高頻變壓器的優(yōu)化設計

大功率DCDC用高頻變壓器的優(yōu)化設計,大功率,dcdc,高頻變壓器,優(yōu)化,設計 武漢理工大學本科學生畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、目的及意義（含國內外的研究現(xiàn)狀分析） 高頻開關電源是指電壓調整功率的器件，是以高頻開關方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源，它利用高頻開關功率器件通過轉換技術而制成的高頻開關直流穩(wěn)壓電源,簡稱"開關電源"。現(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件、綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科交叉技術，在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。 對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頻開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。由于科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。其主要有以下4種發(fā)展方向： (1)高頻化。理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5-l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造，成為"開關變換類電源"，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。 (2)模塊化。模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了"智能化"功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。 (3)數(shù)字化。在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的，特別是：諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。 (4)綠色化。電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網的污染源：向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。 總而言之，開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著開關電源技術的成熟，實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。 高頻變壓器是DC/DC的核心部件，是實現(xiàn)能量轉換和傳輸?shù)闹饕骷?，又是DC/DC要占有者和發(fā)熱源，隨著DC/DC的高頻化，變壓器的分布參數(shù)對電源系統(tǒng)性能的影響變得越來越重要；同時大功率化帶來的絕緣和散熱問題，也增加了高頻變壓器的設計難度，并成為影響DC/DC系統(tǒng)的壽命和可靠性的重要因素。因此，高頻變壓器的優(yōu)化設計是實現(xiàn)DC/DC高頻化和高功率密度化目標的關鍵。 2、基本內容和技術方案 高頻變壓器是DC/DC的核心部件，是實現(xiàn)能量轉換和傳輸?shù)闹饕骷?，又是DC/DC要占有者和發(fā)熱源，隨著DC/DC的高頻化，變壓器的分布參數(shù)對電源系統(tǒng)性能的影響變得越來越重要；同時大功率化帶來的絕緣和散熱問題，也增加了高頻變壓器的設計難度，并成為影響DC/DC系統(tǒng)的壽命和可靠性的重要因素。因此高頻變壓器的優(yōu)化設計已成為DC/DC高頻化和高功率密度化的關鍵，而要實現(xiàn)高頻變壓器的優(yōu)化設計不僅要從變壓器本身出發(fā)，選取低損耗、高磁密的磁心材料，合理選取繞組線徑和匝數(shù)，以減小變壓器的重量和體積，還要將變壓器的優(yōu)化和電源系統(tǒng)的優(yōu)化緊密結合起來。對于本文高頻變壓器的優(yōu)化設計的內容可歸納為以下幾點： (1)全橋隔離式DC/DC進行分析，了解其工作原理和電路圖，并對不同時段的電路情況作出詳細的分析； (2)對變壓器的磁芯進行比較，分析影響變壓器性能的各項參數(shù)，選擇DC/DC所需要的磁芯； (3)了解變壓器的原理，分析變壓器繞組和磁芯的損耗以及其變壓器性能的影響，對變壓器的設計做初步的分析； (4)根據所給參數(shù)計算變壓器的各項參數(shù)，從而實現(xiàn)對變壓器的優(yōu)化設計 3、進度安排 第1～2周： 畢業(yè)實習，撰寫畢業(yè)實習報告； 第3～4周： 翻譯外文資料，初步確定方案，完成開題報告； 第5周： 確定最終方案，并進行可行性分析； 第6～8周： 硬件設計及程序代碼編制； 第9周： 中期檢查； 第10～11周： 綜合調試，根據結果完善系統(tǒng)； 第12～14周： 完成論文撰寫； 第15周： 論文答辯； 第16周： 論文裝訂 4、指導教師意見 喬騰飛同學調研比較充分，研究內容充實，技術方案明確可行，現(xiàn)已經具備開始畢業(yè)設計的條件。該生能達到預期的目標，同意進入設計階段。 指導教師簽名： 年 月 日 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計（論文） 題 目 大功率DC/DC用高頻變壓器的 優(yōu)化設計 學院（系）： 自動化學院 專業(yè)班級： 自動化0601班 學生姓名： 喬騰飛 指導教師： 陳啟宏 黃亮 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于1、保密囗，在10年解密后適用本授權書 2、不保密囗。 （請在以上相應方框內打“√”） 作者簽名： 年 月 日 導師簽名： 年 月 日 武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文)任務書 學生姓名： 喬騰飛 專業(yè)班級： 自動化0601班 指導教師： 陳啟宏，黃亮 工作單位： 自動化學院 設計(論文)題目: 大功率DC/DC用高頻變壓器的優(yōu)化設計 設計（論文）主要內容： 對大功率高頻變壓器進行優(yōu)化設計，研究高頻變壓器的優(yōu)化設計方法。分析變壓器用磁芯材料的特性及區(qū)別。討論繞組線徑、匝數(shù)、變壓器損耗、分布參數(shù)等對變壓器性能、重量和體積的影響，結合實際的電源系統(tǒng)提出完整的優(yōu)化設計方法與步驟。 要求完成的主要任務: 1．了解全橋式DC/DC的電路圖工作原理，輸入電壓范圍29VDC～72VDC，輸出電壓310VDC～400VDC，額定輸出功率3.5kW，開關頻率為20kHz，穩(wěn)態(tài)工作時輸出電壓脈動峰峰值≤200mV； 2．了解變壓器的基本構造和工作原理，相關DC/DC配套變壓器容量為3500~4000VA，變壓器目標工作效率≥98%，整機目標效率≥90%； 3．分析變壓器磁芯的特性，選擇合適的變壓器磁芯； 4．分析變壓器的損耗和影響變壓器損耗的因素，通過給定數(shù)據設計變壓器； 5．撰寫畢業(yè)設計論文，字數(shù)不低于15000左右； 6．完成英文翻譯2萬字（其中漢字5000字）； 7．參考文獻10篇以上（其中外文文獻2篇以上）。 必讀參考資料： [1] 劉勝利.高頻開關電源實用新技術[M].南京：南京航天航空大學出版社南京. [2] 馬昌貴.開關電源變壓器極其磁芯的發(fā)展[J].磁性材料與器件,Vol.30 No 6.1999 [3] 劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關電源技術及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社. [3] 王瑞華.脈沖變壓器設計[M].北京：科學出版社，1996. [4] 伊克寧.變壓器設計原理[M].北京：中國電力出版社，2003. 指導教師簽名： 系主任簽名： 院長簽名（章）： 武漢理工大學本科學生畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、目的及意義（含國內外的研究現(xiàn)狀分析） 高頻開關電源是指電壓調整功率的器件，是以高頻開關方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源，它利用高頻開關功率器件通過轉換技術而制成的高頻開關直流穩(wěn)壓電源,簡稱"開關電源"?，F(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件、綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科交叉技術，在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。 對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頻開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。由于科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。其主要有以下4種發(fā)展方向： (1)高頻化。理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5-l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造，成為"開關變換類電源"，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。 (2)模塊化。模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了"智能化"功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。 (3)數(shù)字化。在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的，特別是：諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。 (4)綠色化。電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網的污染源：向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。 總而言之，開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著開關電源技術的成熟，實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。 高頻變壓器是DC/DC的核心部件，是實現(xiàn)能量轉換和傳輸?shù)闹饕骷质荄C/DC要占有者和發(fā)熱源，隨著DC/DC的高頻化，變壓器的分布參數(shù)對電源系統(tǒng)性能的影響變得越來越重要；同時大功率化帶來的絕緣和散熱問題，也增加了高頻變壓器的設計難度，并成為影響DC/DC系統(tǒng)的壽命和可靠性的重要因素。因此，高頻變壓器的優(yōu)化設計是實現(xiàn)DC/DC高頻化和高功率密度化目標的關鍵。 2、基本內容和技術方案 高頻變壓器是DC/DC的核心部件，是實現(xiàn)能量轉換和傳輸?shù)闹饕骷质荄C/DC要占有者和發(fā)熱源，隨著DC/DC的高頻化，變壓器的分布參數(shù)對電源系統(tǒng)性能的影響變得越來越重要；同時大功率化帶來的絕緣和散熱問題，也增加了高頻變壓器的設計難度，并成為影響DC/DC系統(tǒng)的壽命和可靠性的重要因素。因此高頻變壓器的優(yōu)化設計已成為DC/DC高頻化和高功率密度化的關鍵，而要實現(xiàn)高頻變壓器的優(yōu)化設計不僅要從變壓器本身出發(fā)，選取低損耗、高磁密的磁心材料，合理選取繞組線徑和匝數(shù)，以減小變壓器的重量和體積，還要將變壓器的優(yōu)化和電源系統(tǒng)的優(yōu)化緊密結合起來。對于本文高頻變壓器的優(yōu)化設計的內容可歸納為以下幾點： (1)全橋隔離式DC/DC進行分析，了解其工作原理和電路圖，并對不同時段的電路情況作出詳細的分析； (2)對變壓器的磁芯進行比較，分析影響變壓器性能的各項參數(shù)，選擇DC/DC所需要的磁芯； (3)了解變壓器的原理，分析變壓器繞組和磁芯的損耗以及其變壓器性能的影響，對變壓器的設計做初步的分析； (4)根據所給參數(shù)計算變壓器的各項參數(shù)，從而實現(xiàn)對變壓器的優(yōu)化設計 3、進度安排 第1～2周： 畢業(yè)實習，撰寫畢業(yè)實習報告； 第3～4周： 翻譯外文資料，初步確定方案，完成開題報告； 第5周： 確定最終方案，并進行可行性分析； 第6～8周： 硬件設計及程序代碼編制； 第9周： 中期檢查； 第10～11周： 綜合調試，根據結果完善系統(tǒng)； 第12～14周： 完成論文撰寫； 第15周： 論文答辯； 第16周： 論文裝訂 4、指導教師意見 喬騰飛同學調研比較充分，研究內容充實，技術方案明確可行，現(xiàn)已經具備開始畢業(yè)設計的條件。該生能達到預期的目標，同意進入設計階段。 指導教師簽名： 年 月 日 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 1緒論 3 1.1本課題的研究背景和意義 3 1.2國內外研究現(xiàn)狀 4 1.3本文研究的主要內容 6 2全橋隔離式DC/DC的工作原理 7 2.1電路組成和工作原理 7 2.1.1電路組成 7 2.1.2 工作原理 7 3 高頻變壓器的工作原理及特性分析 11 3.1 工作原理及分類 11 3.1.1 變壓器的結構 11 3.1.2 變壓器的原理 12 3.1.3 變壓器的負載運行和電流變換 13 3.1.3 變壓器的分類 14 3.2.高變壓器磁芯分析 15 3.2.1 軟磁材料的發(fā)展歷程 15 3.2.2 DC/DC對磁心材料的要求 16 3.2.3磁心損耗特性 18 3.3 高頻開關電源變壓器繞組分析 18 3.3.1 繞組損耗 18 3.3.2 繞組結構 19 4橋式DC/DC高頻變壓器的優(yōu)化設計 22 4.1.1 影響變壓器效率的因素 22 4.2.1 3.5kW全橋隔離型DC/DC用高頻變壓器的參數(shù)設計 24 結束語 28 參考文獻 29 致謝 31 摘要 隨著電源技術的不斷發(fā)展，高頻化和高功率密度化已成為DC/DC系統(tǒng)的研究方向和發(fā)展趨勢。變壓器是DC/DC的核心部件，并且隨著頻率和功率的不斷提高，其對整個系統(tǒng)的性能產生影響也日益重要。因此，大功率高頻率變壓器的優(yōu)化設計是實現(xiàn)DC/DC系統(tǒng)的發(fā)展目標的關鍵。 本文針對大功率高頻變壓器進行優(yōu)化設計，尋求高頻變壓器的優(yōu)化設計方法。首先文本分析了DC/DC的工作原理，比較了不同矩形比磁芯材料在該工作狀態(tài)下磁通密度的工作范圍，為高頻變壓器磁芯材料選取提供了指導原則。然后在對變壓器磁芯和繞組進行詳細分析的基礎上，分析了變壓器損耗，分布參數(shù)，體積和重量的計算程序，從解析角度出發(fā)，初步實現(xiàn)了高頻變壓器的優(yōu)化設計。并對3.5KW全橋隔離型DC/DC用高頻變壓器進行優(yōu)化設計。 關鍵字：DC/DC高頻變壓器；大功率；優(yōu)化設計 ABSTRACT With the continuous development of power technology, high-frequency and high power density have become the DC/DC system's 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 transformer 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 transformer's optimization design method. First, the article has analyzed the work principle of 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 detailed 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 transformer's optimization design initially. And it carries on the optimization design to 3.5KW and full-bridge isolated DC / DC high-frequency transformer. Key Words: DC/DC High-frequency transformer High Power optimal design 1緒論 1.1本課題的研究背景和意義 高頻開關電源是指電壓調整功率的器件，是以高頻開關方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源,它利用高頻開關功率器件通過轉換技術而制成的高頻開關直流穩(wěn)壓電源，簡稱"開關電源"?，F(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件、綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科交叉技術，在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頻開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。由于科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。其主要有以下4種發(fā)展方向： (1)高頻化。理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源"，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益,更可體現(xiàn)技術含量的價值。 (2)模塊化。模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了"智能化"功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。 (3)數(shù)字化。在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的，特別是：諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。 (4)綠色化。電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網的污染源：向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。 總而言之,開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著開關電源技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨。因此，同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。 高頻變壓器是DC/DC的核心部件，是實現(xiàn)能量轉換和傳輸?shù)闹饕骷质荄C/DC要占有者和發(fā)熱源，隨著DC/DC的高頻化，變壓器的分布參數(shù)對電源系統(tǒng)性能的影響變得越來越重要；同時大功率化帶來的絕緣和散熱問題，也增加了高頻變壓器的設計難度，并成為影響DC/DC系統(tǒng)的壽命和可靠性的重要因素。因此，高頻變壓器的優(yōu)化設計是實現(xiàn)DC/DC高頻化和高功率密度化目標的關鍵[1~2]。 1.2國內外研究現(xiàn)狀 1980年以前，DC/DC轉換器的開關頻率為20～50KHz，從20世紀80年代起，由于一些新功率半導體開關器件、功率模塊和高頻磁性材料的出現(xiàn)，提高開關頻率已成為減小開關電源體積和重量的主要手段，同時也改善了開關電源的動態(tài)性能[3]；八十年代國外DC/DC頻率就已經在1～10MHz；二十世紀末期，國外DC/DC的功率也迅速得到提高，10～30KW的大功率DC/DC在產品上已很成熟，更高功率的開關電源也有很快發(fā)展，如俄羅斯研制的用于雷達發(fā)射機的140KW開關電源[4]。目前國外0.5～3MHz的高頻DC/DC已實用化[5~6]，200～500KHz已成為輸出100W以下DC/DC的標準開關頻率，開關電源的功率密度己向120W/的目標發(fā)展[3]。 DC/DC的高頻化和高功率密度化的發(fā)展趨勢增加了變壓器優(yōu)化設計的難：一方面高頻化縮小了變壓器的體積并增加了磁心和繞組中的損耗，導致變壓器發(fā)熱嚴重且散熱表面減小，這對高頻變壓器的散熱設計提出了更高的要求；另一方面開關頻率的增加導致變壓器中的分布參數(shù)，即漏感和分布電容，對變換器的性能產生重要的影響。對于開關式變換器來說，漏感會引起電壓尖峰，對電路中的器件產生損壞，分布電容會引起電流尖峰并延長充電時間，增大開關以及二極管的損耗，降低變壓器的效率和可靠性[7]，因此在這種工作模式下希望盡可能的減小變壓器中的分布參數(shù)：對于諧振式變換器來說，可以對變壓器中的分布參數(shù)加以吸收或利用，全部作為諧振參數(shù)或其中的一部分，且解決了減小漏感和保證絕緣強度這一矛盾，因此在這種工作模式下，需要準確預測漏感和分布電容的值，以滿足電源系統(tǒng)對諧振參數(shù)的要求。 可見在高頻化和高功率密度化的過程中，變壓器的優(yōu)化設計關鍵在于解決以下問題：合理選取高頻磁性材料和磁心繞組的結構；準確計算磁心和繞組損耗；準確計算高頻變壓器漏感和分布電容；合理設計冷卻系統(tǒng)。 高頻變壓器中最常用的軟磁材料有鐵氧體、坡莫合金和非晶態(tài)合金。軟磁材料在工業(yè)中的應用始于19世紀末，20世紀20年代出現(xiàn)了坡莫合金，40年代生產出了軟磁鐵氧體材料，進入70年代又興起了非晶態(tài)軟磁合金和納米晶材料[8]。各種磁性材料均有其特點和最佳應用環(huán)境，因此進行高頻變壓器設計的首要問題是根據磁心的工作條件選取最佳的磁性材料。 高頻變壓器參數(shù)的計算方法可分為兩類：一類是解析法，一類是數(shù)值模擬。1966年Dowell提出了著名的Dowell模型，用于計算交流電阻與直流電阻之間的換算系數(shù)[9]。用這一模型可以方便計算繞組的高頻損耗，此后眾多學者又通過引入修正系數(shù)的方式對Dowell模型做了修改和發(fā)展[10~11]。1892年Steinmetz提出了著名的用于計算磁心損耗的經驗公式，該經驗公式中的參數(shù)由磁心在若干頻率和磁密點下的損耗測量值經曲線擬合得到。在此基礎上，Mulder等人分別考慮了溫度和非正弦電壓波形對磁心損耗的影響，對Steinmetz公式進行了修改和推廣[12~13]。此后，眾多企業(yè)和科研機構分別對納米晶合金軟磁材料的損耗進行了分析，并擬合出不同頻率范圍下納米晶合金的Steinmetz公式[14]。近年來高頻變壓器中分布參數(shù)的解析求解成為眾多學者研究的熱點，其解析公式是根據變壓器中漏磁場和靜電場中所存的能量通過理論推導得出的，目前已存在不同磁心結構和繞組結構下的漏感計算公式[15~16]。高頻變壓器中分布電容的建模方法可歸結為兩類：第一類是從靜電場的角度將雙繞組變壓器視為三端口系統(tǒng)，在變壓器等效電路中引入六個電容來表示分布電容，它們可以通過靜電場中儲存的能量計算出來；第二類從分布電容對變壓器帶來的物理效應出發(fā)，將分布電容等效為三個集總電容構成的萬形網絡，這三個集總電容可進一步簡化為一個并聯(lián)電容，這兩類模型均有相應的計算公式和測量方法。 目前，利用數(shù)值模擬方法設計高頻變壓器主要分為定性分析和定量分析，前者一般采用二維分析，其目標是得到一些指導性的設計原則。后者更適于采用三維分析，目標是得到高頻變壓器設計中某些不易計算量的精確值，最終達到在一定程度上替代實驗的目的。常用的變壓器數(shù)值模擬方法有有限差分法、有限元法、邊界元法等，可以有效地分析繞組中的高頻效應、繞組損耗、變壓器電磁場分布、分布參數(shù)和溫升等[17]。 二十世紀六十年代以來，求解電磁場的各種數(shù)值方法迅速發(fā)展起來。有限差分法因其數(shù)學概念簡單、形成系數(shù)矩陣方便，最早應用于電磁場計算，至六十年代末，已有比較成熟的分析變壓器漏磁場的二維有限差分程序。但有限差分法的規(guī)則網格不能滿意地模擬幾何形狀復雜的問題，因此該方法在電磁場分析中的應用逐漸被有限元法代替。二十世紀七十年代，有限元法逐漸發(fā)展起來，并因網格剖分靈活、數(shù)值穩(wěn)定性好等特點很快成為計算電磁場問題的主要方法。Dai有限元方法，研究了繞組間隙及初級繞組的寬度對邊緣效應的影響，得出漏感隨繞組間隙增大而單調遞增的結論[18]；Layers有限元方法，研究了變壓器的銅損與電流波形的關系，通過大量分析指出波形對繞組的交流電阻有很大的影響[19]1；Tenyenhuis等人通過二維有限元分析，研究了變壓器的溫升[20]，[21]把有限分析推廣至3D，更適于解決復雜的邊界結構和材料性質的不連續(xù)問題。國內眾多學者也分別采用有限元法對高頻變壓器的設計進行了研究，如趙爭菡等人使用MATLAB的電場分布進行了的二維有限元分析，進而根據電場能計算了分布電容的值[22]；電子科技大學的姬海寧等人對開關電源變壓器磁心漏磁場進行了三維定性分析，并對磁心表面溫升進行了三維仿真研究[23~24]。 1.3本文研究的主要內容 高頻變壓器的優(yōu)化設計已成為DC/DC高頻化和高功率密度化的關鍵，而要實現(xiàn)高頻變壓器的優(yōu)化設計不僅要從變壓器本身出發(fā)，選取低損耗、高磁密的磁心材料，合理選取繞組線徑和匝數(shù)，以減小變壓器的重量和體積，還要將變壓器的優(yōu)化和電源系統(tǒng)的優(yōu)化緊密結合起來。對于本文高頻變壓器的優(yōu)化設計的內容可歸納為以下幾點： (1)全橋隔離式DC/DC進行分析，了解其工作原理和電路圖，并對不同時段的電路情況作出詳細的分析； (2)對變壓器的磁芯進行比較，分析影響變壓器性能的各項參數(shù)，選擇DC/DC所需要的磁芯； (3)了解變壓器的原理，分析變壓器繞組和磁芯的損耗以及其變壓器性能的影響，對變壓器的設計做初步的分析； (4)根據所給參數(shù)計算變壓器的各項參數(shù)，從而實現(xiàn)對變壓器的優(yōu)化設計。 2全橋隔離式DC/DC的工作原理 全橋變換器因功率管的不一致性以及驅動電路的分散性，容易使高頻變壓器原邊的正負脈沖電壓不對稱，產生直流偏磁，若不采取措施加以抑制，長時間工作，變壓器磁芯會飽和，使功率開關管損壞。為此，可采用峰值電流控制模式抑制變壓器的直流偏磁，這種方法雖然有效，但電路抗干擾性能差，對噪聲敏感，且容易使電路振蕩，一般情況下不采用這樣控制模式。通常，在采用電壓模式控制的全橋變換器中，在變壓器原邊串聯(lián)一無極性的電容，濾除引起變壓器直流偏磁的直流電壓，從而達到抑制直流偏磁的目的。 2.1電路組成和工作原理 2.1.1電路組成 全橋隔離式DC/DC是利用功率開關管的寄生電容或外接電容和變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感作為諧振元件四個開關管實現(xiàn)零電壓開通和零電壓關斷（也稱準零電壓關斷），其電路結構如圖2.1所示。 圖2-1 全橋式DC/DC變換器的主電路圖 圖2.1中，F(xiàn)UELCELL是直流輸入電壓；Q1-Q4是四個主功率開關管；D1和C1-C2分別是Q1-Q4的反并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容；LIK是變壓器原邊串聯(lián)的諧振電感，包括變壓器的漏感；Cg是原邊隔直電容，用以防止變壓器直流偏磁現(xiàn)象發(fā)生；T1為高頻變壓器；D5,D6是副邊整流二極管；Lo1和Co分別是輸出濾波電感和濾波電容；LOAD是負載 2.1.2 工作原理 在一個開關周期中，全橋變換器可分8中工作模式，再次我們只分析2個工作模式，在分析之前，假設： (1)； (2)，n為變壓器原，副邊變比； (3)變壓器勵磁電流； (4)開關管導通壓降為零。 A．工作模式1 ［～］時段，時刻，原邊電流反向增加到0隔直電容電壓達到負的最大值時刻之后，由0開始正向增加，電流通路為。此時段內，增加，副邊繞組1的電流毛ｌ也在增加，但因此副邊整流二極管珧在導通續(xù)流，變壓器副邊繞組被短路，導致原邊繞組電壓也為零。此時，，和直接作用在諧振電感三上，有 (2-1) (2-2) 解式2-1和2-2，并代入初始條件，得 (2-3) (2-4) 在時刻時刻，上升，，整流二流管管斷，此工作模式結束。參考圖2-2，可知，由式（2-4）得此工作模式持續(xù)時間為： (2-5) 設時刻，=，將式（2-5）代入式（2-3）中得： (2-6) 考慮到，因此上式可寫為： (2-7) 聯(lián)立方程（2-1）和（2-7）并代入條件得： (2-8) B．工作模式2 ［～］時段，時刻Q1管斷，原邊電流從Q1中轉移到C1和C2支路中，給C1充電，C2放電。因電容電壓不能突變，Q1實現(xiàn)準零電壓管斷。電流流通回路為，，在這個時段，，的電壓電流為： （2-9) (2-10) (2-11) 將（2-9）代入（2-10）得： (2-12) 由KCL得，圖2-1中滿足: (2-13) 將式（2-11）代入（2-12）中得: (2-14) 整理得 (2-15) 同時，原邊電流和隔直電容電壓滿足 (2-16) (2-17) 由式2-16和2-17可看出，此時段電路處于一個很復雜的諧振過程，實際上，考慮到輸出濾波Lo1很大，課認為在此時段內原邊電流基本不變，，類似恒流源，因此可近似認為電壓在作用下線性下降，在的作用下線性上升，既有： (2-18) (2-19) 在時刻，的電壓下降到零，的反并聯(lián)二極管自然導通，工作模式3結束。此時，=0，變壓器原邊電壓為零,解（2-19）得該模式的時序實際為 (2-20) 設時候上升到，將式（2-21）代入（2-19）得 (2-21) 從上述分析可知，Q1和Q2的驅動信號死區(qū)時間應滿足，既 (2-22) 3 高頻變壓器的工作原理及特性分析 3.1 工作原理及分類 變換電能以及把電能從一個電路傳遞到另一電路的靜止電磁裝置稱為變壓器，世界上第一臺變壓器在1885匈牙利。在交流電路中，借助變壓器能夠變換交流電壓、電流和波形。變壓器在電子設備中占有很重要的地位，電源設備中交流電壓和直流電壓幾乎都由變壓器通過變換整流而獲得。在電路的隔離、匹配及阻抗變換等方面絕大多數(shù)是通過變壓器來實現(xiàn)的。 變壓器是利用電磁感應原理傳輸電能或電信號的器件，它具有變壓、 變流和變阻抗的作用。 變壓器的種類很多， 應用十分廣泛。 比如在電力系統(tǒng)中用電力變壓器把發(fā)電機發(fā)出的電壓升高后進行遠距離輸電， 到達目的地后再用變壓器把電壓降低以便用戶使用， 以此減少傳輸過程中電能的損耗； 在電子設備和儀器中常用小功率電源變壓器改變市電電壓, 再通過整流和濾波， 得到電路所需要的直流電壓； 在放大電路中用耦合變壓器傳遞信號或進行阻抗的匹配等等。 變壓器雖然大小懸殊，用途各異, 但其基本結構和工作原理卻是相同的。 3.1.1 變壓器的結構 變壓器由鐵心和繞組兩個基本部分組成， 如圖3-1所示， 在一個閉合的鐵心上套有兩個繞組， 繞組與繞組之間以及繞組與鐵心之間都是絕緣的。 圖3-1 變壓器 變壓器的鐵心由0.35～0.5mm厚的硅鋼片交錯疊裝而成， 圖3-2為幾種常見的鐵心形狀。繞組一般采用絕緣銅線或鋁線繞制，其中與電源相連的繞組稱為原繞組（或稱為原邊、 初級）；與負載相連的繞組稱為副繞組（或稱為副邊、次級）。按鐵心和繞組的組合結構可分為心式變壓器和殼式變壓器，如圖3-3所示。 心式變壓器的鐵心被繞組包圍，而殼式變壓器的鐵心則包圍繞組。 圖3-2 變壓器的鐵芯 圖3-3 變壓器的結構形式 3.1.2 變壓器的原理 空載運行和電壓變換如圖3-4所示, 將變壓器的原邊接在交流電壓上, 副邊開路, 這種運行狀態(tài)稱為空載運行。此時副繞組中的電流=0, 電壓為開路電壓, 原繞組通過的電流為空載電流, 電壓和電流的參考方向如圖所示。圖中為原繞組的匝數(shù)， 為副繞組的匝數(shù)。 圖3-4 變壓器的空載運行 副邊開路時,通過原邊的空載電流就是勵磁電流。磁動勢在鐵心中產生的主磁通既穿過原繞組,也穿過副繞組, 于是在原、副繞組中分別感應出電動勢和。且和與的參考方向之間符合右手螺旋定則,由法拉第電磁感應定律可得： (3-1) (3-2) 和的有效值分別為: (3-3) (3-4) 式中f交流電源的頻率, 為主磁通的最大值。 如果忽略漏磁通的影響并且不考慮繞組上電阻的壓降時, 可認為原、副繞組上電動勢的有效值近似等于原、副繞組上電壓的有效值, 即 (3-5) (3-6) 因此: (3-7) 由式3-7可見，變壓器空載運行時，原、副繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)之比，k稱為變壓器的變比。 若改變變壓器原、副繞組的匝數(shù)，就能夠把某一數(shù)值的交流電壓變?yōu)橥l率的另一數(shù)值的交流電壓。 (3-8) 當原繞組的匝數(shù)比副繞組的匝數(shù)多時, k>1，這種變壓器為降壓變壓器；反之，當?shù)脑褦?shù)少于的匝數(shù)時，k<1，為升壓變壓器。 3.1.3 變壓器的負載運行和電流變換 如圖3-5所示，變壓器的原繞組接交流電壓，副繞組接上負載，這種運行狀態(tài)稱為負載運行。這時副邊的電流為，原邊電流由增大為，且略有下降，這是因為有了負載后，、會增大，原、副繞組本身的內部壓降也要比空載時增大，使副繞組電壓比低一些。 因為變壓器內部壓降一般小于額定電壓的10％，因此變壓器有無負載對電壓比的影響不大，可以認為負載運行時變壓器原、 副繞組的電壓比仍然基本上等于原、 副繞組匝數(shù)之比。 圖3-5 變壓器的負載運行 變壓器負載運行時, 由形成的磁動勢對磁路也會產生影響, 即鐵心中的主磁通是由和共同產生的。由式可知, 當電源電壓和頻率不變時, 鐵心中的磁通最大值應保持基本不變, 那么磁動勢也應保持不變, 即： （3-9） 由于變壓器空載電流很小，一般只有額定電流的百分之幾，因此當變壓器額定運行時，可忽略不計。 則有。 可見變壓器負載運行時，原、副繞組產生的磁動勢方向相反，即副邊電流對原邊電流產生的磁通有去磁作用。 因此，負載阻抗減小，副邊電流增大時，鐵心中的磁通將減小，原邊電流必然增加，以保持磁通基本不變，所以副邊電流變化時，原邊電流也會相應地變化。原、副邊電流有效值的關系為： (3-10) 由式3-10可見，當變壓器額定運行時，原、副邊的電流之比近似等于其匝數(shù)之比的倒數(shù)。若改變原、副繞組的匝數(shù)，就能夠改變原、副繞組電流的比值，這就是變壓器的電流變換作用。不難看出，變壓器的電壓比與電流比互為倒數(shù)，因此匝數(shù)多的繞組電壓高，電流?。?匝數(shù)少的繞組電壓低，電流大。 3.1.3 變壓器的分類 (1)按工作頻率分，50Hz或為60Hz為工頻變壓器，工頻~20KHz為中頻變壓器：20KHz以上稱為高頻變壓器。 (2)按傳送功率分，10KW以上為大功率，10kw-0.5kw為中功率，0.5KW-25KW為小功率，25w以下為微功率。 (3)按用途分，有開關電源變壓器、脈沖變壓器、特種變壓器等。 3.2.高變壓器磁芯分析 3.2.1 軟磁材料的發(fā)展歷程 磁性材料有軟磁和硬磁之分，在開關變壓器中使用的是軟磁材料。軟磁材料在工業(yè)中的應用始于19世紀末。隨著電力工及電訊技術的興起，開始使用低碳鋼制造電機和變壓器。到20世紀初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無線電技術的興起，促進了高導磁材料的發(fā)展，出現(xiàn)了坡莫合金及坡莫合金磁粉心等。從40年代到60年代，是科學技術飛速發(fā)展的時期，雷達、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁材料的要求也更高，生產出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進入70年代，隨著電訊、自動控制、計算機等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外，又興起了非晶態(tài)軟磁合金和納米晶材料。 高頻變壓器中最常用的磁性材料有軟磁鐵氧體、坡莫合金和非晶態(tài)合金軟磁鐵氧體中應用最為廣泛的是錳鋅鐵氧體，在80～1000C下磁心損耗一般為80-100KW/（500KHz，50mT）。除了需要低損耗的磁性材料之外，在開發(fā)高效的磁心形狀和繞組設計技術方面，日本TDK、Tokin、日立、富士電氣公司、荷蘭飛利浦、德國西門子、美國Ferronix等公司都取得了顯著成果。根據使用要求不同，鐵氧體材料和坡莫合金材料有各種不同牌號可供選用[8]。非晶態(tài)合金及超微晶均為近30年來發(fā)展起來的軟磁合金材料，這種材料具有飽和磁感應強度高，磁心損耗極低，磁性能穩(wěn)定，溫度特性好的特點，在中、高頻電子設備的電磁期間領域內具有廣泛的應用前景。非晶態(tài)及超微晶合金系新型的軟磁材料，其鐵心的生產和使用尚無部標和國標規(guī)范。目前，國內僅有少數(shù)科研院所和企業(yè)提供該系列鐵心并實現(xiàn)了鐵心產品的批量生產和供貨，但還沒有完成非晶態(tài)及超微晶合金鐵心的標準化和系列化工作。國外非晶態(tài)系列鐵心研發(fā)較早，美國的磁性公司、聯(lián)合信號公司、日本的東芝公司等均初步完成非晶態(tài)鐵心的系列化和商品化工作。常用軟磁材料的性能參數(shù)對比如表3-1示。 表3-1常用軟磁材料的性能參數(shù)對比 鐵基非晶合金 鐵栗基非晶 鈷基非晶合金 鐵基納米晶合金 冷軋硅鋼 坡莫合金 軟磁養(yǎng)鐵 飽和磁感應強度/T >1.5 >0.7 0.5-0.8 >1.2 2.0 0.5-1.5 <0.5 居里溫度/°C >415 >250 >320 >560 730 >400 <230 晶化溫度/°C >550 >410 >480 >510 電阻率 140 125 140 90 50 55 >106 密度 7.18 7.5 8.0 7.25 7.65 8-8.8 4.8 硬度 860 640 900 880 120 600 飽和磁致伸縮系數(shù) 20-30 12 0 1-2 27 0-25 14 初始導磁率 >1000 >4000 >30000 >80000 1000 >10000 2000 最大導磁率 >200000 >200000 >200000 >200000 >10000 >200000 3.2.2 DC/DC對磁心材料的要求 高頻變壓器是DC/DC系統(tǒng)的核心部件，其設計對整個電源系統(tǒng)的體積、功率容量和變換效率都非常重要。因此，高頻變壓器的設計必須滿足下面一系列的限制條件：（1）變壓器的容量必須滿足電源系統(tǒng)輸出功率的要求（2）變壓器最大損耗條件下，電源系統(tǒng)仍能達到最低效率要求（3）變壓器的體積須符合所允許占用空間的限制要求（4）在特定的散熱環(huán)境下，變壓器的最高溫升須低于磁心及絕緣材料正常工作規(guī)定的最高溫度。（5）滿足電源系統(tǒng)的重量要求。 為滿足上述要求，高頻變壓器的設計者必須熟悉磁性材料的磁化過程，掌握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉換關系。選取磁心材料需考慮的參數(shù)有材料的飽和磁感應強度、磁導率、高頻損耗、居里溫度、溫度穩(wěn)定性和矩形比等。高頻變壓器磁心材料的選取與變壓器工作電壓波形、工作頻率、輸出功率及使用環(huán)境等因素密切相關，下面分別闡述高頻變壓器對磁性材料參數(shù)的要求。 (1)飽和磁感應強度 高頻變壓器要求磁心材料有高的飽和磁感應強度。由電磁感應定律可知，高，則可選擇高的工作磁感應強度，在相同的感應電壓下可減小磁心截面積，故磁心的體積小，或者減少線圈匝數(shù)，從而減小變壓器銅損。 A.導率 要求磁心材料有高的磁導率。磁感應強度，因此對要求一定磁通量的磁性器件，選用值高的材料，就可以降低激勵磁H所需的勵磁電流，從而降低磁心的體積。 B.損耗 高頻變壓器的磁心損耗，不僅影響電源輸出效率，同時會導致磁心發(fā)熱，波形畸變等不良后果。為減小磁滯損耗，要求磁性材料的矯頑力小；為減小渦流損耗，要求減薄磁性材料的厚度，提高材料的電阻率。同時，希望磁性材料的功耗有負溫度特性，即損耗隨溫度上升呈下降趨勢（在20°C～100°C范圍內）。這是因為若磁性功耗呈現(xiàn)正溫度特性，損耗隨溫度升高而變大，損耗增大又導致溫度繼續(xù)上升，會形成惡性循環(huán)。因此，磁性材料功耗的負溫度特性可以有效防止溫升造成的磁性能下降。具有負溫度特性功耗的代表性產品有TDK的PC30、德國西門子的N27和荷蘭飛利浦的3C80等鐵氧體磁心。 C.居里溫度和溫度穩(wěn)定性： 居里溫度表示磁性材料失去磁特性的溫度，高頻變壓器要求磁心材料有較高的居里溫度。同時希望材料的磁性能具有較好的溫度穩(wěn)定性，即材料的飽和磁感應強度、磁導率等不隨溫度變化而顯著變化。 D.矩形比 磁性材料的矩形比定義為最大剩磁與飽和磁感應強度之比，即。磁性材料的矩形比相差很大，如非晶軟磁合金最高矩形比可達到0.995以上，而低矩形比只有0.08左右。磁性材料矩形比的選擇取決于磁性器件的應用領域和磁心的工作狀態(tài)。如磁開關、磁存儲材料和雙極性脈沖變壓器要求材料有高的矩形比，單極性脈沖變壓器對矩形比的要求根據磁心是否加去磁電路而有所不同，不加去磁電路的磁心要求材料有低的矩形比，加去磁電路的磁心要求材料有高的矩形比。 DC/DC磁性材料矩形比的選取決定了磁心磁感應強度的工作范圍，因此選擇合適的矩形比對變壓器磁心的設計非常關鍵。DC/DC的磁心對矩形比的要求不僅要考慮電路的拓撲結構，還要考慮磁心的初始工作狀態(tài)。 3.2.3磁心損耗特性 結合前幾章分析，選用綜合性能最佳的低矩形比的納米晶合金作為高頻變壓器的磁心材料。傳統(tǒng)軟磁材料，如硅鋼和鐵氧體，其損耗可根據損耗分離原則分解為磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗的疊加，三種損耗均有各自的理論公式，從而可以建立傳統(tǒng)軟磁材料的損耗預測模型，然而這種模型并不適用于納米晶軟磁合金。為建立納米晶材料的高頻損耗模型，在和范圍內對納米晶的損耗進行了測量，對所測數(shù)據采用三維擬合方法，得到損耗隨和的關系式： (3-11) (3-12) 3-11,3-12式中的單位為，單位為KHZ，的單位為。 3.3 高頻開關電源變壓器繞組分析 3.3.1 繞組損耗 高頻變壓器的繞組損耗定義為： (3-13) 上式中為繞組的直流電阻，為電流有效值，，稱為導線的交流電阻系數(shù)。由于集膚效應（skineffect）和鄰近效應（proximityeffect）的影響，導線的交流電阻要大于直流電阻，因此，是高頻變壓器設計過程中的重要參數(shù)。 (1)集膚效應 集膚效應又叫趨膚效應，當交變電流通過導體時，電流將集中在導體表面流過，這種