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开关电源的高频变压器设计方案解析
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2017-12-11
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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。
关键字：开关电源， 高频变压器 设计
High-frequency switching power transformer design
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.
Keywords: switching power supply design of high-frequency transformer
前 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，制约这个目标实现的根本技术就是开关电源高频化技术。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。
1 国内外研究现状
20世纪60年代以前，人们普遍采用的是线性调节器式直流稳压电源，即传统的线性电源，这类电源由于串联晶体管的高损耗和工频变压器较大的体积和重量，使得其效率低、很难实现小型化，功率密度一般仅为0．2～0．3形／加3。20世纪60年代，开关调节器式直流稳压电源(开关电源)由于具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，取代了线性电源。1964年，日本NEC杂志发表了两篇具有指导性的文章：一篇为“高频技术使AC／DC电源小型化"；另一篇为“脉冲调制用于电源小型化"。这两篇文章指明了开关电源小型化的研究方向，即高频化和脉冲宽度调制技术。1973年，美国摩托罗拉公司发表了一篇题为“触发起20kHz的革命"的文章，从此在世界范围内掀起了高频开关电源的开发热潮，并将DC／DC转换器作为开关调节器用于开关电源，使电源的功率密度由1～4W／砌3增加到40～50形／in3。1980年以前，DC／DC转换器的开关频率为20"--'50kHz，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;八十年代国外开关电源的研究频率就已经在1～IOMHZ;二十世纪末期，国外开关电源的功率也迅速得到提高，10---30kW的大功率开关电源在产品上已很成熟，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二140kW开关电源n21。目前国0．5～3MBz的高频开关电源已实用化，200～500kHz已成为输出IOOW以下开关电源的标开关频率，开关电源的功率密度己向120W／in3的目标发展。开关电源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度：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，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.
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。
关键字：开关电源， 高频变压器 设计
High-frequency switching power transformer design
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.
Keywords: switching power supply design of high-frequency transformer
前 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，制约这个目标实现的根本技术就是开关电源高频化技术。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。
1 国内外研究现状
20世纪60年代以前，人们普遍采用的是线性调节器式直流稳压电源，即传统的线性电源，这类电源由于串联晶体管的高损耗和工频变压器较大的体积和重量，使得其效率低、很难实现小型化，功率密度一般仅为0．2～0．3形／加3。20世纪60年代，开关调节器式直流稳压电源(开关电源)由于具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，取代了线性电源。1964年，日本NEC杂志发表了两篇具有指导性的文章：一篇为“高频技术使AC／DC电源小型化"；另一篇为“脉冲调制用于电源小型化"。这两篇文章指明了开关电源小型化的研究方向，即高频化和脉冲宽度调制技术。1973年，美国摩托罗拉公司发表了一篇题为“触发起20kHz的革命"的文章，从此在世界范围内掀起了高频开关电源的开发热潮，并将DC／DC转换器作为开关调节器用于开关电源，使电源的功率密度由1～4W／砌3增加到40～50形／in3。1980年以前，DC／DC转换器的开关频率为20"--'50kHz，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;八十年代国外开关电源的研究频率就已经在1～IOMHZ;二十世纪末期，国外开关电源的功率也迅速得到提高，10---30kW的大功率开关电源在产品上已很成熟，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二140kW开关电源n21。目前国0．5～3MBz的高频开关电源已实用化，200～500kHz已成为输出IOOW以下开关电源的标开关频率，开关电源的功率密度己向120W／in3的目标发展。开关电源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度：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，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.
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