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
2、源系统提出完整的优化设计方法与步骤。 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 29VDC 72VDC，输出电压 310VDC 400VDC， 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
3、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 6.1999 3 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. 指导教师签名： 系主任签名： 院长签名 （
4、章 ） ： 武汉理工大学毕业设计（论文） 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
5、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 ，
6、 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 “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
7、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 (ASPM)， 它把一台整机的几乎所有硬件武汉理工大学毕业设计（论文） 都以芯片的形式安
8、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
9、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
10、 (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
11、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 。
12、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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 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，选取低损耗、 高 磁
13、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 1 2 周： 毕业实习，撰写毕业实习报告
14、； 第 3 4 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 6 8 周： 硬件设计及程序代码编制； 第 9 周： 中期检查； 第 10 11 周： 综合 调试，根据结果完善系统； 第 12 14 周： 完成论文撰写； 第 15 周： 论文答辩； 第 16 周： 论文装订 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 . 1 ABSTRACT .
15、2 1 绪论 . 3 1.1 本课题的研究背景和意义 . 3 1.2 国内外研究现状 . 4 1.3 本文研究的主要内容 . 6 2 全桥隔离式 DC/DC 的工作原理 . 7 2.1 电路组成和工作原理 . 7 2.1.1 电路组成 . 7 2.1.2 工作原理 . 7 3 高频变压器的工作原理及特性分析 . 11 3.1 工作原理及分类 . 11 3.1.1 变压器的结构 . 11 3.1.2 变压器的原理 . 12 3.1.3 变压器的负载运行和电流变换 . 13 3.1.3 变压器的分类 . 14 3.2.高变压器磁芯分析 . 15 3.2.1 软磁材料的发展历程 . 15 3.2.2
16、 DC/DC 对磁心材料的要求 . 16 3.2.3 磁心损耗特性 . 18 3.3 高频开关电源变压器绕组分析 . 18 3.3.1 绕组损耗 . 18 3.3.2 绕组结构 . 19 4桥式 DC/DC 高频变压器的优化设计 . 22 4.1.1 影响变压器效率的因素 . 22 4.2.1 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
17、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 mB 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
18、； 大功率 ； 优化设计 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 ABSTRACT With the continuous development of power technology, high-frequency and 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
19、 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
20、high-frequency transformers 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 princ
21、iple 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
22、 of view, it has realized high-frequency transformers 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 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 1 绪论 1.1 本课题的研究背
23、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 (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
24、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
25、 ， 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 (S
26、PM)。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 (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
