1、畢業設計（論文題目：單極式、雙極式開關電源變壓器的應用分析院系電氣與電子工程學院專業班級通信0903班學生姓名馬鵬程指導教師楊慧娜二O三年六月摘要結合電磁理論知識，基于電網電源實際應用情況，對單極式、雙極式開關電源變壓器進行對比分析，討論其研究背景并簡述其應用現狀。對開關電源變壓器的磁性材料進行分析,討論各種材料的特點，并對變壓器的核心元器件進行詳細介紹。實例設計單端反激式開關電源變壓器，分析各項參數，給出計算公式，提出關鍵材料的選擇優先級及挑選原則。結合實際因素，對參數進行詳細計算，討論忽略范圍，系統地給出變壓器的設計步驟。最后總結設計方法，并分析設計結果。分析電力技術及電子設備的發展趨勢，

2、對開關電源變壓器的發展前景做出預測。關鍵詞:開關電源，變壓器，單端反激式ABSTRACTBasedontheactualapplicationstatusofpowergridcurrentsource,combinedwiththeknowledgeofelectromagnetictheory,makeacomparativeanalysisofmonopolar,bipolarswitchingpowersupplytransformer.Makeadiscussionaboutitsstudybackground,andsketchitsapplicationstatus.Analyz

3、ethemagneticmaterialofswitchingmodepowersupplytransformeranditscharacteristic.Makeadetailedintroductionofthecorecomponentsoftransformer.Designasingle-endedflybackswitchingpowersupplytransformer.Makeadetailedanalysisabouttheparameters.Thengivetheformulathatwillbeused.Proposethepriorityofthekeymateria

4、lsanditsprinciple.Combinedtheactualsituation,discussabouttherangeoferrorandproposethedesigningsteps.MakeaSummarizeofthedesigningmethodatlast.Analyzethedesigningresults.Accordingtothetradeofthepowerelectronicequipment,makeapredictionaboutthedevelopmentoftransformer.Keywords:Switchingpowersupply,trans

5、former,single-endedflyback目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論11.開關電源變壓器研究背景、意義及其應用狀況11.1.價關電源變壓器研究背景和意義11.1.2F關電源變壓器的應用狀況11.2F關電源變壓器的國內外研究現狀21.2.例外研究現狀221.興文主要工1.2.2國內研究現狀作弈2章開關電源變壓器特性分析42.肝關電源變壓器的定義42.2T關電源變壓器的分類42.3F關電源變壓器的組成42.4T關電壓器設計一般問題52.4.使壓器功能52.4.2電路拓撲52.費極式、雙極式開關電源變壓器的對比分析62.5.憚極式開關電源變壓器62.5.雙極式開關電源變壓器6

6、2.5.曲極式、雙極式開關電源變壓器應用場合的區別62.坪章小結M3章磁芯材料的分析83.概述83.1.飽和磁感應強度Bs93.1.2M余磁感應強度Br93.1.38幅磁導率93.1.4匕損耗103.1.磐量磁導率103.缺氧體材料103.2.帙氧體材料特性103.2.缺氧體磁芯1你4章單極式開關電源變壓器設計實例134.供本電路134.2單端反激式變壓器的等效電路和其電壓電流波形134.3臨界電感144.單端反激式開關電源變壓器的設計154.4.計算變壓器的初、次級電壓154.4.公壓器工作比154.4.3匝數比164.4.初級電感174.4.時算初級峰值電流174.4.舒算各級繞組的有效電

7、流174.4.7確認磁芯大小184.4.料算其空氣隙長度lg194.4.9+算繞組的匝數值194.4.1他認導線規格204.4.1校核窗口和線圈結構計算204.4.12+算損耗224.4.13溫升計算224.并端反激式開關電源變壓器的設計實例234.5.侵壓器初、次級電壓計234.5.2+算變壓器工作比244.5.3f算匝數比244.5.計算初級電感244.5.時算初級峰值電流244.5.骼繞組有效電流244.5.確定磁芯尺244.5.時算空氣隙長254.5.舞組匝數計算254.5.1他定導線規格254.5.1栽圈結構計算254.5.1賴耗計算264.5.1溫升計算2詠5章結論與展望275.1

8、吉論275.展望2參考文獻2敬28第1章緒論1.1 開關電源變壓器研究背景、意義及其應用狀況1.1.1 開關電源變壓器研究背景和意義隨著我國經濟的不斷發展，電網規模也發生了翻天覆地的變化。對于采用電網電源來進行供電的電子類設備，對電源就有了新的要求。由于電路工作狀態的變化和電網電壓的波動，就必須要求電網提供的直流電源具備適應負載變化和電網波動的雙重特點。因此而發展起來的直流穩壓電源繼而成為了電子類設備電路中的一個極其重要的組成部分。伴隨著一些新技術的發展，如:表面安裝技術。以及片狀電子元件和大規模集成電路的發展，電子類設備的趨勢是更加的小型化和輕量化。所以用何種方式來縮小電源體積，減輕電源重量

9、以及提高電源的轉換效率，進一步增強用電設備對電網電壓的適應能力，是我們探索研究的重點。開關電源指用高頻變壓器代替工頻變壓器，利用脈沖調制技術的（PWM直流一一直流（DC-DC變換型穩壓電源。它具備以下特點：效率高、管耗小、穩壓范圍小、重量輕、體積小等，取得了人們的關注，進而得到了迅速的發展。開關功率型變換器中的關鍵性器件即開關電源變壓器，它的作用有以下三點：電壓變換、能量轉化、絕對隔離。經過開關晶體管的作用，在開關電源變壓器上施加由直流電轉變而成的方波電壓，再經過由開關電源變壓器幫助進行的電磁轉換，輸出人們所需求的電壓,并將所需功率傳遞于負載。因為開關電源變壓器的特點是有很高的工作頻率，所以它

10、的重量和體積都比工頻電源變壓器的小。開關電源變壓器自身的效率和發熱也受到了變壓器性能好壞的影響，同時還會影響到開關電源的可靠性，以及它的技術性能。所以，選擇合適的磁芯材料和恰當的磁芯形狀，精確地確定電磁參量，合理地配置和繞制線圈都是設計并制作開關電源變壓器時要仔細考慮的因素。優秀的開關電源變壓器是對設備的保障，也是提升國家電網供電效率的關鍵，優化設計合理的開關電源變壓器也有著很大的意義。1.1.2 開關電源變壓器的應用狀況目前，開關電源已經成功應用在各行各業。例如大到航空和宇宙飛行器、小到工作生活中的電子計算機、電視機、錄像機以及研究所用的發射機等各種電子儀器設備。同時，開關電源的開關功率的研

11、究也取得了驕人的成績，數量級從原來的幾萬赫茲迅速發展到現在的數兆赫茲。開關電源變壓器則是開關電源中的關鍵部件，被應用于眾多的機電設備中，細致地探討它們之間的關系，有助于我們學習與了解變壓器的內部構造，更有助于維持各設備的性能，同時生產安全性也得到了保障。1.2 開關電源變壓器的國內外研究現狀1.2.1 國外研究現狀自20世紀90年代以來，世界上許多發達國家的高等學府和著名研究機構就開始了對開關電源的研究和探索。其中，以USA和JAPAN為首的發達國家研究效果十分顯著，并且處于領先地位。美國電源集成公司先拔頭籌，首先進行研制，并成功地推出了三端隔離式PWM型的單片開關電源揭開了研究開關電源的序幕

12、。緊隨其后的是一些高校和軍方研究單位，他們也積極地進行開關電源的研究。1990年，美國弗吉尼亞電力電子中心（VPECofUSA的Dr.Fred成功地研制出1.2-2.2MHz、100W開關頻率的準諧振型開關變換器達到了1.52Wcm3的功率密度。該實驗室進而研制并推出了完善的多諧振變換器方案，并且擁有完美的數據。它的實驗模型可能達到10MHz的頻率，功率密度也可以達到3.74.5Wcm3,輸入電壓介于4555V之間,負載電流處于010A之間，開關頻率在2.5MHz到3.85MHz范圍內，效率為80%到83%。在峰值功率這一方面，弗吉尼亞電力電子中心做到1.52KW。而它自從問世以來，就顯示出強

13、大的生命力，良好的發展前景和巨大的影響力。緊隨其后是日本的原田研究室，他們在1991年利用E類諧振變換技術，取得了新的突破，研制成功了1.5MHz、40W效率為83%和14MHz、12W效率為92%的直DCDC電源模塊的變換器，同時利用反激ZVS-QRC技術，在大功率方面做出了5KW功率的開關穩定電源。繼日本之后，90年代中期，德國的西門子公司研究室研制成功的大功率密度開關電源則是利用了功率鐵氧體磁芯，采用了ER180大尺寸鐵氧體磁芯，研制成功的開關電源功率達100KW。在理論研究方面有代表性的是美國加州理工學院，他們對準諧振開關變換器仔細的研究，提出了綜合分析的一般性方法很具有代表性。在市場

14、方面，國外的眾多電子產品占據市場的主流，引導著開關電源變壓器的發展方向。1.2.2 國內研究現狀相對于國外發達國家，國內從90年代后期才進入初步發展期，研究開關電源及開關電源變壓器起步較晚，技術也并非一流，與發達國家差距較大。我國通過研究國外的先進技術,在做出評估后，首先引進了Australia技術，開發的高頻開關電源數據是:40V110A（開關頻率是20KHz和40V55A（開關頻率是40KHz。在當時而言，是我國先進的開關電源變壓器。緊接著，我國積極派相關專業人員參加各種國際性的大型學術會議，來廣泛的吸收國外的先進技術，去粗取精；同時在國內開發自己的開關電源變壓器。國內一些通信公司也相繼推

15、出系列產品。中興通訊等大型通信公司利用自己技術的超前性，占據了相當大的市場，也已經形成規模，同時也得到了大眾的廣泛認同，在國際電源及其變壓器市場競爭中也占一席之地，并有少量開始出口。而國內許多高校和研究單位通過不斷的實驗和創新，在開關電源變壓器的理論方面做了大量的工作，并取得了突破性進展。首推清華大學研究的動態優化設計問題。而作為電子行業的領頭羊，電子科技大學也利用自己獨特的優越性和權威性，在數學建模、仿真設計、還有拓撲結構這些方面跟蹤研究，取得了不錯的成績。雖然我國的起步較晚，但是發展飛速，研究成果也十分突出，逐漸在世界的大舞臺上占據一席之地。所以說進一步研究高頻開關電源變壓器和它的應用是科

16、技的需求，也是產業的需求。進入二十一世紀，我國經濟不斷騰飛，也逐漸成為世界第二大經濟體，電力電子技術也在不斷發展與創新，使開關電源所在行業有著相當廣闊的發展前景。而提升我國開關電源產業的世界競爭力，就要走科技創新之路，將有中國特色的產、學、研加強，壯大，為加快我國的經濟發展速度、提升國民生活水平做出應有貢獻。1.3 本文主要工作首先，本文對當前國、內外單極式、雙極式開關電源變壓器的應用現狀進行分析，總結;其次,研究并探討單極式、雙極式開關電源變壓器的設計方法，并進行實例設計;最后，對單極式、雙極式開關電源變壓器的應用做出對比論述。第2章開關電源變壓器特性分析2.1 開關電源變壓器的定義開關電源

17、變壓器是指加入了開關管的電源變壓器。在電路中，開關電源變壓器除了具備普通變壓器的電壓變換功能，還有功率傳送與絕緣隔離功能。在涉及高頻電路的場合，開關電源變壓器應用較多。在開關電源中，變壓器是作為轉換、儲能、和隔離所必須的元件，它的構成其實很簡單,由繞組和磁芯兩部分構成。但是在制作變壓器時，合理選材會影響到變壓器的性能，繼而影響到設備的散熱效果，工作效率等指標。對變壓器而言，需要考慮磁芯材料的選擇，磁芯和線圈結構的設計，以及如何繞制線圈。這都是制作過程中的關鍵因素。單從繞組來說，通常情況下，采用傳導性良好的銅導線進行繞制。如果開關電源不同，電源的電壓和電流大小不同，繞制的方法也各異。講到磁芯,磁

18、芯是一個變壓器中最核心的元件，占據著重要的地位，一個變壓器能不能發揮作用，關鍵在于選擇合適的磁芯。2.2 開關電源變壓器的分類簡單來講，開關電源變壓器分為兩種：單極式開關電源變壓器和雙極式開關電源變壓器。兩種開關電源變壓器的工作原理和結構并不相同。其中，單極式開關電源變壓器的特點是由單極性脈沖作為輸入電壓，并且分為正反激電壓輸出；而雙極式開關電源變壓器則由雙極性脈沖作為輸入電壓，輸出則一般是雙極性脈沖電壓。由于倆種電壓器輸入輸出電壓的區別,應用的場合也會不同，制作工藝，制作過程中的難易程度也有區別，這在下文中將給予適當的討論。2.3 開關電源變壓器的組成組成開關電源變壓器的部件主要有三部分：磁

19、性材料、絕緣材料和導線材料。它們是開關變壓器的核心。磁性材料：大部分開關變壓器所應用的磁性材料是軟磁鐵氧體，按它的成分和應用頻率可以分為倆大類:MnZn系和NiZn系。MnZn系擁有很高的飽和磁感應和高的導磁率，在低頻和中頻范圍內具有較低的損耗。磁芯的形狀分很多種，例如EI型、EC型、E型等等。導線材料一一漆包線：用來繞制較小型電子變壓器的漆包線一般有聚氨酯漆包線（QA和高強度聚酯漆包線（QZ兩種。根據漆層厚度的不同可以分為1型（薄漆型與2型（厚漆型兩種。薄漆型用的絕緣涂層是聚酯漆，它具有優良的耐熱性，并且絕緣性抗電強度可以達到60kv/mm;而厚漆型絕緣層則為聚氨酯漆，它具備自粘性強的特點，

20、并且有自焊性能（380C,不用去漆膜就可直接焊接，方便實用。壓敏膠帶：由于絕緣膠帶的抗電強度相對于一般的膠帶而言比較高，使用起來就很方便并且機械性能優良，因此，它被廣泛的應用于電網中開關變壓器線圈的層問、外包絕緣與組間絕緣。優良的壓敏膠帶必須具備下列要求：抗剝離，粘性好，具備一定的拉伸強度，絕緣性能不錯，耐壓性能良好，阻燃和耐高溫等特性。骨架材料：開關變壓器的骨架與一般的變壓器的骨架相異，除去作為線圈的絕緣材料和支撐材料外，還承擔著整個變壓器的安裝固定與定位的雙重作用，因此用來制作骨架選用的材料除了要滿足絕緣要求外，還應該有一定的抗拉強度，同時考慮到為了承受引腳的特點：耐焊接熱，就對骨架材料的

21、熱變形溫度有所要求，溫度要求必須高于200C,材料也必須達到阻燃，而且還應該是加工性好，容易于加工成客戶所需要的各種形狀。2.4 開關電壓器設計一般問題2.4.1 變壓器功能功率變壓器在開關電源中的主要作用是傳輸功率。將一個電源的能量瞬時地傳輸給負載。另外，變壓器還提供了其它重要的功能：利用改變初級匝比與次級匝比，來獲得所需要的輸出電壓；為獲得不同的多路輸出電壓，增加多個不同匝數的次級,；考慮到安全因素，要求離線供電或低壓和高壓不能共同接地，變壓器可以方便地提供安全隔離。2.4.2 電路拓撲雖然各種功率電路拓撲結構只適用與一定的范圍，但也并不是絕對的，大多數情況下它們之間是相互覆蓋的。變壓器設

22、計過程中，如何選擇電路拓撲，對變壓器有著至關重要性的影響。功率范圍根據不同電路也會有不同的選擇。例如反激電路應用的功率范圍是0150W,單端正激變換器則應用在50500W的范圍內,半橋式變換器是從100W到1000W，而全橋變壓器會應用于500W以上。上面所說的范圍也并不是絕對的，實際生活中的產品也會有低壓輸入的1400W左右的反激變換器。利用率最好的是變壓器中的次級橋式整流的全橋和半橋變換器，因為磁芯被雙向磁化，而線圈在整個導通時間內都有電流流過，線圈被充分地利用。它帶有次級中心抽頭,在一個周期的過程中，總會有一個線圈在導通期間內沒有電流通過，線圈的利用率和效率就會降低。中心抽頭如果是初級和

23、次級，線圈和磁芯的利用率會進一步降低。在電路拓撲中，全部推挽拓撲的優點是：在給定了開關頻率，相同的紋波、濾波和閉環能力時，線圈和變壓器的工作頻率會減半，這樣就會減少磁芯損耗和交流線圈的損耗。而正激變換器變壓器的利用率和效率是最差的，因為無論是從線圈或著磁芯最大工作時間來說，都只有半個周期。2.5 單極式、雙極式開關電源變壓器的對比分析2.5.1 單極式開關電源變壓器單極性開關電源變壓器特點十分明確，它利用一個單向方波脈沖電壓作為激勵源。常用到的單端正激式變換器與單端反激式變換器都歸屬于單極性開關電源變壓器。當開關變壓器工作的時候，在變壓器磁芯中的磁通會沿著交流磁滯回線的第一象限部分做上下相位移

24、動。變壓器的磁芯受到了單向激磁，這時，磁感應強度的變化范圍是從最大值Bm到剩磁Br之間，磁芯中也會有直流變化。自習分析單極性開關電源變壓器，會發現由于磁芯工作于磁滯回線的單象限，導致磁芯損耗相對較小，大約為雙極性開關電源變壓器的二分之一。交變磁感應強度為FB(?B=Bm-Br。為了降低剩磁Br,增大交變磁感應強度rB我們一般選擇恒導磁材料，另外還會采取在磁路中增加氣隙，這樣做會使磁化曲線傾斜，從而降低剩余磁感應強度Br的數值，提高直流工作磁場。2.5.2 雙極式開關電源變壓器在研究雙極式開關電源變壓器時，會發現它有很多種類，比如:全橋式、半橋式、推挽式等。雙極式開關電源變壓器其實是被方波激勵的

25、高頻變壓器，變壓器的初級繞組分布在某一個周期的正半周和負半周中，取一個幅值等于導通時間而方向卻相反的方波脈沖電壓作為輸入，會發現變壓器的初級繞組在正負半周中的勵磁有規律的大小相等、方向相反。所以，在變壓器磁芯中產生的磁通的運動軌跡是沿著交流磁滯回線對稱的上、下來回移動。磁芯在整個磁滯回線中都會發揮作用。在一個周期中，磁感應強度在正最大值+Bm和負最大值-Bm之間變化，磁芯中的直流磁化分量也會發生抵消。2.5.3 單極式、雙極式開關電源變壓器應用場合的區別由于單極式開關電源電壓器和雙極式開關電源變壓器在輸入電壓、輸出電壓上的區別。他們的應用場合也有所不同。單極式開關電源變壓器中最為常見的單端反激

26、式開關電源變壓器易于設計，常常被應用于一些小型電器設備中，例如可以用在我們日常生活中的手機充電器中發現它。而單端正激式開關電源變壓器也由于重量輕、體積小等優點被應用于各種小型的電子設備中。相對單極式開關電源變壓器，雙極式開關電源變壓器會應用在一些高頻場合，應用場合很廣。在工業生產，日常生活中，我們就會常常用到雙極式開關電源變壓器，例如家電設備，交通設備，通信設備等等。在科學實驗過程中，我們用到的儀器儀表也會對開關電源變壓器有所涉及。可以說，開關電源變壓器無處不在，所以,設計更加完美的開關變壓器是很有意義的。2.6 本章小結本章節通過研讀相關資料和手冊，對開關電源變壓器的特性進行了分析，仔細探討

27、了開關電源變壓器的分類，各種變壓器的區別與應用。另外通過查閱國內外論文對單極式、雙極式開關電源變壓器進行了更加細致的研究分析，對他們的應用進行了初步的討論和總結。為后面開關電源變壓器的設計做好了鋪墊。2.7 磁芯材料的分析3.1 概述在電源設備中，磁性材料性能的好壞對開關電源變壓器的性能有著很重要的影響，所以說，在設計開關電源變壓器時，恰到好處地選擇合適的磁性材料是相當關鍵的。開關電源變壓器的特點是：工作頻率一般較高，在幾萬赫茲以上，這就對磁芯材料的要求是，它的磁感應強度要高，在高頻下，磁芯損耗要小，也要有好的溫度穩定性。另外，開關電源變壓器工作在不同狀態下，各部件的要求也會隨之而發生改變。對

28、應不同工作狀態，磁化曲線也會不同，磁芯的工作區域也會發生改變，所選用材料的磁特性也要做出調整，來達到最佳工作狀態。此時，由于軟磁材料應用范圍比較廣泛，對它的要求也視情況而定，但是可根據工作條件的不同對軟磁材料提出各自的要求，但有也要建立在基礎要求上概括來講，為以下四點:(1要有高的磁導率。我們知道磁感應強度B=nH。因此在磁場強度(H不變的情況下，b值的大小取決于材料的材料系數以值。簡單來講，此時磁感應強度和材料系數成正比關系。在4t的選取過程中若選用4t高的材料，在理論上就能將外磁場的勵磁電流值降低,從而降了低磁元件的體積。這在實際應用中是有很大的意義的。另外，對應工作在弱磁場中的磁性材料，

29、它的激磁電流相對較小，此時如果要提高靈敏度，需要考慮的因素是選用起始磁導率4t高的材料。而工作在強磁場中磁性材料，要想得到比較大的磁通，一般對材料的仙maXS要求比較嚴格，比一般的要晨)o(2要具有很小的矯頑力。顧名思義，材料的矯頑力越小，磁化和退磁也就越容易這一因素也會導致在交變磁場中磁滯損耗會大大減小。(3要有較高的電阻率p。我們知道，電阻率會影響渦流損耗。所以為了減小磁芯在交變磁場中工作時的渦流損耗，選取的電阻率要高。(4要具備較高的飽和磁感應強度。磁感應強度的大小對開關電源變壓器工作時的性能有所影響。在磁通相同的情況下，磁感應強度越高，磁芯截面積選取就會越小,這樣磁性元件的體積就會減小

30、，適合生產。當開關電源變壓器工作在較低頻率時磁通密度會有所飽和，這樣就限制了最大工作磁通密；但在高頻時，磁通密度不會產生影響，反而是損耗起著關鍵作用，它對磁通密度的選取有所制約，此時，磁通密度如果發生飽和，影響并不會很大。在設計過程中我們會發現，雙極性開關電源變壓器對設計材料的要求會很高。因為應用場合的不同，他對材料的要求也會整體上升。比如，它會對磁性材料的磁感應強度值有要求，要有高的磁感應強度值，同時，動態磁導率越高越好，高頻損耗盡量較低。而單極性開關電源變壓器對磁性材料的要求卻是：磁性材料應該具備較低的剩余磁感應強度和較高的磁感應強度，其實就是要求磁性材料具有適當的脈沖磁感應增量，除此以外

31、，如果工作場合是直流磁場，單極性開關電壓變壓器要求磁性材料不飽和。在理論方面，在設計開關電源變壓器時，用來表示磁性材料性能的參數主要有五項:飽和磁感應強度Bm、剩余磁感應強度Br、振幅磁導率謾、比損耗Pb、增量導磁率以聯軋3.1.1 飽和磁感應強度？s飽和磁感應強度Bs的定義是：在規定的最大磁場強度Hs時所測得的磁感應強度。它的計量單位是特斯拉，符號是To飽和磁感應強度是設計開關電源變壓器過程中的一個主要參數。在變壓器中，磁芯可傳遞的功率與它工作時磁感應強度B的大小成正比關系。也就是說，磁芯材料的飽和磁感應強度越高，變壓器的輸出功率就越大，或者在功率相同的情況下，可以縮小變壓器的體積，達到生產

32、要求。3.1.2 剩余磁感應強度Br剩余磁感應強度Br定義為:交流磁滯回線中磁場強度等于零時的磁感應強度值。單極性開關電源變壓器的磁芯工作范圍是在它磁滯回線的第一象限，可計算，變壓器磁芯所傳遞的功率正比于它工作磁感應強度的增量rB（rB=BBr,在Bs取值固定時，Br越小；r就越大,變壓器輸出功率也就越大，或在同等功率下，變壓器的體積就可以大大縮小。3.1.3 振幅磁導率磁性材料在無恒穩磁場（交變磁場中被磁化時，在規定的磁場強度（或磁感應強度下的磁導率被稱做振幅磁導率1a它的數學定義式如下。aa=Bii10式中N0-表示真空條件下的絕對磁導率，單位是Hm;Bi表示規定的磁感應強度值，或規定磁場

33、強度下的磁感應強度，單位為T;Hi表示規定的磁場強度值，或規定磁感應強度下的磁場強度，單位為A/m。如果開關電源變壓器的激勵是雙極性的，我們就希望磁性材料有比較大的振幅磁導率，從而減小激磁損耗。3.1.4 比損耗比損耗的定義為：在規定條件下，磁芯單位體積的損耗Pv或單位質量的損耗Pb洪計量單位表達可以用下面四種:mWg、Wkg或kWm3、mWcm3。比損耗的大小不同，對變壓器的溫升和效率影響也不同。在計算磁芯損耗時，要考慮到工作磁感應強度和頻率，它的數學表達式為Pv=CBnfm式中C表小損耗系數；B表示磁感應強度的大小；f表示工作時的頻率；m、n表示與材料有關的系數。3.1.5 增量磁導率增量

34、磁導率小？是指:在已經施加的直流磁場上繼續疊加隨著時間呈周期性變化的交變磁場，這時，由于磁感應強度的峰值之間的差值和磁場強度的峰值差所獲得的相對磁導率。數學定義見下式。1式中rb-表示磁感應強度增量，單位為t；rH-表示磁場感應強度，單位為Am。單極性激勵下的開關電源變壓器，它的磁性材料工作范圍處于磁滯回線的第一象限，交變磁場的變化范圍也并非雜亂無章，它會以一恒定磁場為中心，然后發生變化，這時就要求增量磁導率的取值很大，從而以較小的線圈匝數來獲得所需要的儲能電3.2 鐵氧體材料3.2.1 鐵氧體材料特性鐵氧體一種化學物質，它是一種深灰色或黑色的陶瓷材料，鐵氧體的質地很好，既硬又脆，化學穩定性也

35、十分良好。鐵氧體一般由氧化鐵的和其它金屬物質組成。鐵氧體中包含的金屬元素很多,而且大多數是2價過渡金屬。例如，鐵（Fe、鎂（Mg、銅（Cu、鉆（Co、鍥（Ne等。其中,比較普遍的組合是銳鋅組合（MnZn，或著是鍥鋅組合（NiZn。在這兩種組合中再適當的加入其它金屬元素，就會達到我們期望的磁特性。例如NiZn鐵氧體4A11的成分中包含氧化鐵大約為百分之五十，其中包含的氧化鍥（NiO大約為24%,其余則是氧化鋅（ZnO。取極細致的粉末狀的這些金屬，再加入適當、適量的粘合劑經過均勻的混合、成型，然后在高溫（1000c以上上燒結，就可以形成客戶所需要的各種形狀的磁芯。如果形成的形狀不是環形或者柱形，在

36、應用的時候，就需要配合端面進一步經過研磨而達到要求。這些材料的特色是當它們處在居里溫度（Tc下時，能夠表現出良好的磁特性。材料的素質也并不會發生大的改變。并且這些材料的磁化也相對比較容易，并且它們的電阻率也相對較高。因此，用這樣材料做成的鐵氧體可以工作在很高的頻率段，這樣就不必像用硅鋼片制作鐵氧體時，必須做成疊片。由于鍥鋅（NiZn鐵氧體的電阻率很高,所以它適合工作在的場合是頻率在1MHz以上；相對于鍥鋅鐵氧體，鈕鋅（MnZn鐵氧體的電阻率較低，所以它通常工作在1MHz以下。但是鉆鋅鐵氧體具有相當高的磁導率（面口比較高的飽和磁感應（Bs,所以對于某些特殊的應用來說該鐵氧體可做成單晶。不過通常情

37、況下,鉆鋅鐵氧體主要用做多晶體陶瓷的制作材料。在高頻領域，用軟磁鐵制作的鐵氧體材料因為具有高頻損耗相對較小、磁芯形狀和品種繁多、成本低廉等特點，所以它的應用相當廣泛，也是設計并制作開關電源變壓器時首推的磁性材料；其中功率型銳鋅（Mn-Zn鐵氧體由于其良好的特點，成為應用最廣泛的材料之一，主要應用于工作頻率低于1MHz的各類電子變壓器和電感中。在選擇鐵氧體的過程中，會發現功率型鉆鋅鐵氧體的材質特別，它的飽和磁感應強度很高,但是磁芯損耗確很低，并且磁導率適中，是優秀的鐵氧體素材。但是人無完人，鐵氧體材料也會有不可避免的缺點，它的缺點是在溫度多變的環境中，磁性能會隨之而改變。例如用JP4做材料而成的

38、鐵氧體在環境溫度為20C的情況下，飽和磁感應強度Bs是500mT,而當溫度發生改變時，比如在100C時，飽和磁感應強度Bs就好降至380mT。通過實驗發現，在溫度多變的環境中，有一些鐵氧體材料的單位體積（或重量損耗變化規律異常，他們反而會隨著溫度變化呈正的溫度特性，這樣就使變壓器的溫升和損耗持續增加，最后形成惡性循環。最后根據實驗得到的結論是，功率型鐵氧體材料對損耗白要求是，它必須具有負的溫度特性。3.2.2 鐵氧體磁芯通過實當發現，根據不同原料不同的配比，鐵氧體磁芯獲得的性能也會有很大的不同。像電阻率,初始磁導率、飽和磁感應都會受到影響，還有一些參數如居里溫度,磁感應的溫度特性，以及影響電子

39、變壓器損耗的溫度特性，剩磁特性等也會受到影響。因為材料的原因，鐵氧體材料的初始磁導率很低。是因為它的構成材料中含有非磁黏合劑，導致初始磁導率遠遠低于磁合金。與此同時，鐵氧體材料的磁化曲線會有緩慢飽和特性，磁粉芯也一樣具有該特性。這種緩慢型的逐漸飽和特性對于雙極式開關電源變壓器中的推挽型變換器的變壓器倒是有利的，可減少磁偏的影響。在制作過程中，因為制作工藝的逐漸進步，鐵氧體材料十分容易加工成各種形狀。所以在實際應用中，根據電路中所需要的具體情況來選擇合適的磁芯形狀。比如對開關電源變壓器的電路類型有要求，或者對功率等級有限制，因為經濟原因，也可能對經濟指標有特殊要求。在選擇磁芯結構和形狀時應考慮以

40、下三點基本因素：1磁芯的漏磁要小，這樣容易獲得較小的繞組漏感；2繞制要方便，安裝要簡易，引出線要設計合理，這樣在日后生產和維護也方便；3有良好的散熱系統。具體來講，開關電源變壓器常用的磁芯形狀有很多種，單獨罐形（G、RM、PM、PQ就有很多種，還有環形或者E型（EE、EI等，應用比較多的是E型，另外U型（UFY、UY、UF也常常被用到。通過下表可以看出，不同的磁芯形狀會影響到磁芯的四項要素。通過比較發現，用罐形磁芯成本最高，環形和E型次之，U型最低。環形的線圈成本高于其他三種方式，罐形的抽頭成本也很高，其他三種方式則一樣。綜合比較，用環形方式耗費的成本總量最低。表1磁芯形狀與使用要求的關系近年

41、來，我們平面型開關電源變壓器的應用越來越頻繁，為了適應這種趨勢，低矮型磁芯應運而生。其中包括的類型有常見的低矮型EE型、EI型，以及和其他類型相結合的ER型、RM型磁芯。修心亭乾罐心電本俄廢車頭.麻i1i4FF箍2311U揩,1151E弟2J141第4章單極式開關電源變壓器設計實例4.1基本電路以下電路圖描述的是單端反激式開關電源工作的簡易圖。下面簡述一下電路圖的工作流程。首先，當在開關晶體管上給予激勵，然后導通開關晶體管。在變壓器的初級繞組上施加輸入電壓，初級繞組中就會有電流流過。這時候因為變壓器的次級整流二極管用的是反接方式，所以次級繞組中就沒有電流通過，因此能量就會以磁能的方式被暫時儲存

42、在變壓器的電感中。其次，當開關晶體管處于非導通狀態時，變壓器感應電流的相位和輸入電壓的相反，這樣整流二極管就會接通，變壓器臨時儲存的能量迅速被釋放出來，用來給負載和電容充電。綜上所述，說明這樣的電路特點是，它的輸出和輸入相比，相位發生了顛倒。圖4.1單端反激式變壓器基本電路但是在實際計算的過程中會發現，影響單端反激式開關電源變壓器輸出電壓的因素不僅僅是初級繞組單端匝數比，次級繞組單端匝數比也會對輸出電壓有影響，另外,導通時間的不同也會對它產生影響。4.2 單端反激式變壓器的等效電路和其電壓電流波形如果在實際設計中，忽略掉變壓器漏感，就可以簡化單端反激式變換器，下圖就是它的等效電路圖。圖4.2反

43、激式變換器的等效電路當開關晶體管處于非導通狀態時，變壓器繞組電感中臨時儲存的能量迅速釋放給負載。因此，在計算放電時間常數時，要考慮的因素就會很多。一般來說，電感量和放電時間常數之間有數量關系。那么在此電路中，變壓器初級電感量的大小就顯得尤為重要。同時在繪制電壓的波形、電流的波形時，也要考慮到初級電感量的影響。圖4.3給出了在不同數值的電感下，電流和電壓器的波形。對比圖中的曲線，可以得出下面的結論：充放電時間常數和電感大小成正比關系，而峰值電流卻和電感成反比關系。在這樣的情況下，選擇開關晶體管的配件就需要提高要求，這樣會導致輸出的電壓紋波擴大。另外，當電感值偏小就會使得負載電流間斷的不連續的波形

44、，見圖4.3(c。圖3電感量對電壓電流波形的影響4.3 臨界電感開關晶體管導通時能量儲存在變壓器初級電感中，在開關晶體管非導通時停止(另一周期開始導通，儲存在初級電感中的能量恰巧完全釋放，這時，停留在變壓器初級繞組中的電感叫做單端反激式開關電源變壓器的臨界電感。如圖4.3(bo表述處于臨界電感時的曲線。|XnrUlT-4Ia一口./-F4-n-A-PH-rH-A_LJUL一aA三(a)t(cLLmin(4-9公式中LP1初級電感，單位H。4.4.5 計算初級峰值電流當開關晶體管處于非導通狀態，并將儲存在變壓器中的能量釋放完畢IP1=2P0TP1minonmax2P0TonP12TP0onmax

45、PImax(4-10同理,若該晶體管非導通期間儲能釋放并不完全IP1=TonUP11x10-6+TP0onP1(4-114.4.6 計算各級繞組的有效電流(1初級繞組的有效電流I1=maxIP1(4-12公式中I1流過初級繞組電流值，單位A。(2次級繞組的電流I2=UP1P2XI1=I1nx(4-13公式中I2表示流過次級繞組的電流有效值，單位A。4.4.7 確認磁芯大小(1挑選工作磁感應強度不同變壓器工作時磁感應強度與其應用的磁性材料有關，當該變壓器是反激式的方式，工作磁感應強度就與后者的增量有著直接的關系。一般為了提高后者的大小，選擇在磁路中加氣隙,將剩磁降低。加氣隙于鐵氧體磁芯后剩磁特小

46、，它的磁感應強度增量通常會小于飽和狀態時磁感應強度值的一半。即12Bs?Bm(4-14公式中?Bm表示該變壓器的磁感應強度變化值，單位T;Bs表示其飽和狀態時得到的磁感應強度，單位T。(2計算其面積相乘值APAP=500IP12LP1m(4-15公式中表示面積之積，單位cm4表示其磁感應大小的變化值，單位TIP1表示其初級峰值大小，單位A;LP1表示其初級電感，單位H;(3按面積之積挑選鐵芯類型。(4當要求加強線圈的絕緣特性時，可增大所用磁芯尺寸。4.4.8計算其空氣隙長度1g1g=0.4ttIP12LP1me(4-16公式中Ig表示磁芯中氣隙的長短，單位cm;LP1表示其初級電感值，單位H;

47、IP1表示其初級電流峰值，單位A;?Bm表示其磁感應強度增量，單位T;Ae表示磁芯截面積的有效值，單位cm2。若所選磁材料恒導或是磁粉芯(像粉末磁芯，磁路中不要求設空氣隙。4.4.9計算繞組的匝數值(1初級繞組匝數N1=?Bm1gP1?104(4-17公式中N1表示初級繞組匝數。若變壓器磁芯中無空氣隙，N值是N1=8.92103lcLP1ce(4-18I C表示其磁路長度有效值，單位cm;SC表示其有效截面積，單位cm2;II e一法示其有效磁導率。磁芯樣式的不同，工作時磁感應大小差異和所有磁芯的素材不同以及直流磁場都會影響到有效磁導率取值。(2次級繞組匝數N2=N1XUP2P1minx1-

48、amaxmaxN3=N1XUP3P1min1- mmaxmax,Ni=N1UPiP1minx1-mmaxmax(4-19公式中N2,N3,，Ni表示次級繞組中各級匝數值;UP2,UP3,，UPi表示次級繞組中各級電壓值，單位V;amax表示最大工作比。計算完成后根據匝數值的大小，經過對比總結，最后調整總體所需值，最終確定數值，對結果進行修正。4.4.10確認導線規格導線截面積qmi=Ij(4-20qmi表示各級繞組導線截面積Ij各級繞組有效電流值j電流密度導線直徑di=1.13mi(4-21公式可以計算各級繞組的導線直徑，單位是毫米。按上式計算得出導線截面積或直徑大小，來確認其規格時，還要把集

49、膚效應考慮在內。4.4.11校核窗口和線圈結構計算(1確定線圈是否絕緣(2確定各級繞組的配置配置繞組時應考慮下列因素：1適當降低初級和次級間的漏感。當次級繞組數目不多(12組時，采用一般排列方式，即采用I-II或II一的排印J方式；若一般排列方式無法達到漏感要求，改采用一次分層繞制(M=2。若次級繞組數量太多，必須采用一次分層繞制(M=2。在分層的時彳g，選擇將輸出功率居首的一個或倆個繞組放在倆半個初級繞組之間，還可以分別置放在初級繞組的內、外兩側，達到增強他們之間耦合的目的。2鋪置導線時，應考慮繞線寬度，盡量均勻排滿。為了達到目標，可以對導線直徑微調,最終鋪滿所規定的繞線寬度范圍。假設最后一

50、層無法繞滿，改采用間繞的方式，或在問繞過程中，加入另一次級繞組來繞滿每一層。繞組間的分布電容要盡量的小。另外，在分層時，繞組的分層數量適中，切記不要過多，通常采用一次分層繞制(M=2。值得注意的是，須合理地調整繞組的極性，來減小相鄰組或相鄰層之間的電位差。3另外,在配置過程中，還有一個因素十分重要，那就是鄰近效應。當前，開關電源變壓器的發展趨勢是工作頻率高頻化，在高頻條件下，銅損對變壓器的影響很大，如何降低銅損，是很關鍵的環節。但是若繞組層數增加，鄰近效應的影響更加突出。為了解決這個問題，一般采用的方法是分層繞制，采取分層繞制后，會大大減少鄰近效應所造成的影響。此時，減小鄰近效應是主要目的，也

51、就是說如果漏感值適中，但還是要利用分層繞制，分層數通常為一次(M=2。(3繞組每一層的層數和匝數計算各繞組中各層匝數為mn=hmdmmkp公式中hm代表其繞線寬度，單位mm;dmn表示繞組帶絕緣導線直徑，單位也是mm;KP表示排繞所用的相關系數。(4繞組厚度計算各級繞組的厚度6n=dmnKDsn+6Z公式中KD表示疊繞系數；6Z一則表示組間絕緣厚度，單位為mmo從實際出發，在計算線圈總厚度時，要考慮骨架。所以應不越過骨架規定的范圍。(5計算各級繞組平均匝長這里不做敘述，請參照電子變壓器手冊(6計算各級繞組的銅重和銅阻計算方式和電源變壓器的一致，不過計算出的銅阻是直流電阻。4.4.12計算損耗(

52、1磁芯損耗PC=PVVex10-3(4-22-1或PC=PbGC(4-22-2公式中PC表示其磁芯損耗值或鐵心的損耗值，單位W;PV表示單位體積下磁芯的損耗，單位為mWmm3;Ve表示所用磁芯所占體積mm3;Pb表示鐵心的單位損耗值Wkg;GC表示鐵心質量，單位是kg。在計算磁芯單位體積損耗時，根據公式，按各參數的取值，在所用磁性材料的損耗曲線中查找。損耗曲線會隨著所用磁性材料、工作頻率大小(或周期、工作磁感應強度的取值而發生改變。另外的材料如果有單位損耗，直接聯系材料供應商，從材料提供商給出的損耗曲線中查找。(2線圈銅損Pm=I12r1+I22r2+?+In2rn(4-23(3變壓器總損耗P2=PC+Pm(4-244.4.13溫升計算(1根據熱阻來計量溫變?rm=(PC+PmR?T(4-25(2根據單位表面積的熱耗散來計量溫變計算變壓器單位表面積的熱損耗q=PC+PmCm(4-264.5單端反激式開關電源變壓器的設計實例為了得到升壓或者降壓電源，需要經常使用變壓器。因為輸出電壓的不同，在設計開關電源時所用電路拓撲結構也各異。即使電源相同，因為一些細節的改變，電路拓撲結構也要進行調整，甚至要重新選取。在所有的拓撲結構中，利用反激式變壓器組成的開關電源設計起來最容易，電路構造也相對簡單，并且能很好的達到升壓的效果,同比所使用的