3高频变压器设计与制作实验指导书2

电子科技大学微电子与固体电子学院实验指导书课程名称高频开关电源变压器的设计与制作电子科技大学教务处制表《高频开关电源变压器的设计与制作》新实验《磁芯参数的选择及开关电源变压器的设计》实验指导书一、课程性质和任务《高频开关电源变压器的设计与制作》实验是一门跨专业选修实验课程，它是继普通物理实验、基本电路实验、xxx实验之后开设的一门独立的综合实验课。学生需灵活运用磁性材料知识和电路设计经典方法，通过具体设计实例和典型开关电源变压器的制作，加深巩固所学知识，学习解决实际问题的方法和经验。实验中会利用多种磁性测量仪器设备，在设计、制作的多个阶段完成设计参数的验证，从而熟练掌握相关仪器仪表的使用方法。这些设计、制作、测试工作，可以为学生今后完成相关的综合实验、专业实验、科学研究等打下坚实的基础，对其专业能力和素质的培养提供很大的帮助。高频开关电源变压器的设计与制作实验作为一门综合实验课，其基本任务是：（1）巩固学生的专业基础知识本实验所涉及到的专业基础知识理论性强、概念抽象多、公式计算复杂，仅靠理论学习很难深刻理解基本概念与物理现象、边界条件与计算方法、电磁能量转换过程等的相互关系，同时缺乏实验环节将导致学生学习兴趣下降、学习效率底下等问题。通过本实验，让学生可以在多个实验环节中涉及到大量理论知识的实际应用，从而激发学习热情，巩固对磁性材料、电路理论等基础知识的掌握。（2）培养学生解决实际问题的能力工程科学本质上是源于应用、服务于应用的科学，学生所掌握的普遍性规律，即基础理论，最终要用于解决实际工程问题。本实验课程提供了从设计目标、参考设计方法和流程、实际制作、测量等一系列的任务，培养学生解决实际问题的能力。（3）培养学生科学的思维方式和工作方法实验是验证理论的有效手段，同时也是发现问题、创新突破的基本途径。我们在理论教学中给出了大量成熟的研究成果，但过程和方法往往没有认真深入地探究。在本实验中，验证现有理论和方法是基本目的，同时我们要求学生要学习科学的思维方式和工作方法，具备基本的观察、对比、分析、总结能力。（4）培养学生的自学能力本实验课程强调学生自主学习能力的培养，在实验原理、实验逻辑、基本实验方法清晰的基础上，需要自学完善文献资料阅读、测试设备使用、实验数据统计分析等。这些内容使得学生在提高自学能力的同时，也是综合素质提高的重要组成部分。本实验课程努力实现上述“能力”培养的基本任务，为我校培养具有创新精神，适应国家需要的高质量的专门人才打下坚实基础。二、实验课程的内容掌握高频开关电源变压器（反激式）的计算方法；学习利用EE型和罐型磁芯设计出一定电感量的变压器；掌握TH2828LCRZ测量仪的操作使用。三、开关电源磁芯参数的选择及变压器设计方法1.开关电源的应用领域随着电子技术的进步和发展，电能已经成为最高效、最清洁、最重要的二次能源。二次能源是从大自然中直接获取的一次能源通过人类加工或转换而获得的能源。人类将自然中能直接获取的风能，水势能，气流动能，太阳能，核能，潮汐能，地热等通过风力发电机，水利发电机，汽轮机等机械装置将其转换为我们所需要的电能。然而，几乎所有通过发电装置得到的原始交流电能在大规模使用之前，都必须要通过电源系的转换处理，才能满足各种电子设备的不同需求。电源系统是各类电子设备的心脏，它的性能将直接影响整个电路系统的工作情况。因此现代开关电源技术已广泛应用于电子技术的各个领域，是大量电子设备中不可或缺的基本模块。其功率量级、工作频率、工作模式等，依具体要求而不同。本实验以一个基本的应用需求为背景，从设计需求出发，到最终完成整个反激式开关电源变压器的设计，较为完整地呈现了设计、制作、测试等多个环节。2.开关电源的技术特点一般而言，采用开关变换方式可大大提高电能的转换效率；同时高频开关电源很多情况下采用变压器进行隔离，称为隔离变换器，这样可以实现输入与输出间的电隔离，克服输入输出电压比或电流比不能过大，以及无法实现多路输出的局限。本实验同时充分体现了高频开关电源的技术特点：用提高工作频率等手段，减少变压器的体积和重量，达到提高电源的功率密度的目的。3.开关电源基本原理以基本的脉宽调制型开关电源而言（PWM型），其基本工作原理是利用工作在高频开关状态的晶体管置于输入和输出之间，通过调节开关导通时间占空比来控制输出电压的平均值，该平均电压的大小是由方波脉冲组成的，占空比的调节是通过检测输出电压结合负反馈完成，使得最后输出的稳定电压不受电网电压和负载变化的影响。本实验采用了基本的单端反激拓扑，为参与实验的同学提供了一个完整的参考设计，同时为对此感兴趣的同学从事后续研究提供了良好的基础能力培养。4.开关电源设计中的磁芯参数选择及变压器参数计算方法反激式变换器中变压器有两个绕组，原边绕组和副边绕组，两绕组要紧密耦合。变换器电路简洁，所用元器件少，适合多路输出。图1反激式变换器原理图根据设计具体需要，下面列出变压器的一些性能指标。（1）输入电压范围：36~72V；（2）输出电压/电流：12V/2A；（3）工作温度：0~65℃（4）最大占空比：0.45（5）效率：90%变压器设计估算输出和输入功率：根据设计的输出电压电流的大小，计算总的输出功率如式（1）所示：Po=VoIo（1）根据输出功率和效率，计算输出功率如式（4-26）所示：WPPin7.26%90240（2）估算反射电压输入直流电压在36~72V范围内变化时，可知最小输入电压为36V，根据性能设计指标，最大占空比为0.45。最大占空比计算如式（3）所示其中VOR为反射电压，是指当功率开关管关断且次级电路处于导通状态时，次级电压感应到初级端的电压值。并可由式（4）计算出反射电压(min)maxinORoRUVVD（3）maxmax1(min)DUDVinOR（4）估算平均电流和峰值电流平均电流IAVG和峰值电流IPK可由式(5)和(6)计算：(min)IAVGinoVP（5）maxAVGPK)21(IIDKRP（6）一般来讲，单端反激式变换器主要工作在CCM连续工作模式和DCM断续工作模式。对于CCM连续工作模式来说，0.4＜KRP＜1，对于DCM断续工作模式来说KRP=1。这里变压器的设计采用DCM断续工作模式。纹波电流计算公式如（7）所示：)I(2ImaxAVGRDIPK（7）（1)AP磁芯面积乘积法根据法拉第电磁感应定律，在开关工作时，原边电压Vp为：ewpfpABfNKV（8）其中：VP是变压器原边电压,单位V；Kf是波形系数，正弦波时为4.44,方波时为4；f是开关工作频率，单位Hz；NP是变压器原边匝数；NS是变压器主副边的匝数；Bw是工作磁通密度，单位T；Ae是磁芯有效面积，单位m2。磁芯的窗口面积Aw乘以使用系数K0为有效面积，该面积为原边绕组NP占据的窗口面积NPAP与副边绕组Ns占据的窗口面积NsAs之和：ssppwANANAK0（9）其中：K0是使用系数(1)，一般与线径、绕组数有关，典型值为0.4；AP是原边绕组每匝所占的面积；Aw是磁芯窗口面积；As是副边绕组每匝所占的面积。每匝所用面积与流过该匝的电流I和电流密度J的关系为：JIAP1(10)JIAS2(11)整理以上各式得到：JfBKKIVIVAAwfSSPPew0（12）其中ewAA是变压器窗口面积和磁芯截面积的乘积；SSPPIVIV为原边和副边的功率之和。ewAA乘积受窗口面积使用系数K0、波形系数Kf、开关工作频率f、工作磁通密度Bw、电流密度J的影响。又因为电流密度J直接影响温度变化，进而影响，可表示为：xewjAAKJ)(（13）其中：Kj是电流密度比例系数；根据以上各式可得：xjwfTKfBKKPAP1104)10(（14）其中：AP是ewAA的乘积(cm4)；PT是SSPPIVIV之和,称为变压器的视在功率，单位为W，对于不带中间抽头的变压器视在功率为：)11(0PPT（15）通过计算得到AP值，查表选择合适的铁氧体的ewAA的乘积，一般尽量选择窗口长宽比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可尽量减小漏感。AP法参数设计（1）由式（15）可计算视在功率)11(oTPP（16）（2）取K0=0.4，Kf=4.4，Bw=0.3T（1T=10000G），f=100KHz，查图表得铁氧体铁芯在允许温升25℃时，Kf=366，x=-0.12，则根据磁芯面积乘积法由得：xjwfTKfBKKPAP1104)10(（17）选择EE25/12/7铁氧体磁芯，材料为PC40，其AP=0.2791与理论计算值较为接近。当然除了EE型磁芯以外，如EF25、EI25、ETD29、RM8、EFD25、GU26等磁芯也能满足上述要求，下面以EE25为例进行计算。（3）计算变压器原边的电感量LPfIKDULPPRPinmax(min)（18）（4）计算初次级的匝数：初级匝数Np：epkppABILNmax（19）初级匝数Np为整数，所以这里取整数匝Np=17匝。次级匝数Ns：ORxFopsUUUNN（20）式中，UF为整流二极管压降，这里UF取典型值0.7V。又因为次级匝数为整数，所以这里次级匝数Ns取7匝。（6）计算初次级有效电流值：根据有效值的定义TRMSdtifTI02)(1，得到：初级有效电流值RMSI：)13(2maxRPRPRMSKKDIIP（21）次级电流峰值SPI：SPPkSPNNII（22）次级有效电流值SRMSI：)13)(1(2maxRPRPSRMSKKDIISP（23）（7）确定初次级导线线径由计算可得初级导线线径为：JIDRMSP13.1（24）次级导线线径为：JIDSRMSS13.1（25）式中J为电流密度，取典型值5A/mm2。高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。由趋肤深度定义Kf62.6（26）其中ε为趋肤深度、f为频率、K为趋肤系数，对于铜导线等于10。（8）验证最大磁感应强度[21]验证最大磁感应强度是否超过磁芯的允许值：pPPAeNILBmax（27）小于磁芯磁感应强度最大值。当原边线圈流过峰值电流时，此时磁芯达到最大磁感应强度。Q因子是总损耗角正切的倒数，如下式所示。ttgRfLQ12（28）一般频率较低时，Q因子也较低，频率高于数十千赫兹时，易于得到较高的Q因子，但随着频率增加，Q因子出现再次减小，Q随频率变化分布图一般为山丘形。当设计变压器时，力求获得尽可能大的Q因子。四、实验1.实验内容、材料和仪器实验内容包括：设计两只PC40EE25_1反激式变压器，分别算出初次及次级的匝数，线径；设计两只PC40GU26_1反激式变压器，分别算出初次及次级的匝数，线径；测量所设计、绕制的变压器的初、次级电感L和品质因数Q，作出L～f、Q～f关系曲线。所需材料：多种规格的磁芯，漆包线，绝缘胶带等。所需仪器设备：TH2828LCRZ测量仪，万用表。2.实验过程1）取适量长的一段漆包线，用砂纸将线头砂亮。绕制线圈时漆包线每穿过磁芯骨架一次即为一匝。2）利用计算值、变压器的初次级级的匝数N（取整数）。N初=17匝，N次=7匝其中初级线圈采用线径为0.38mm的圆铜线双线并绕，次边线圈采用线径为0.38mm的圆铜线六线并绕。3）制作变压器：取适量长的漆包线，将两端线头砂亮后均匀绕制在磁芯骨架上，绕制匝数为N，分别绕制变压器的初次级。4）对所制作变压器进行参数测量。3.测量方法1）为保证仪器精确测量，开启LCR测量仪预热时间应不少于30分钟。2）分别测试制作的变压器对应的不同频率的L、Q值，作出，L～f、Q～f曲线。3）测量电感值L：调节LCR测量仪的测试电压为V100mV，频率为f＝10kHz。在“CIRCUITMODE”中选择“AUTO”档、“高精度”档，按下“L”档。当“DISPLAYA”