直流直流变流电路及变压器设计课件.ppt

1、DCDC与变压器与变压器题目题目1：制作一个5V/3A的直流电源，已知输入交流已知输入交流220V，电，电网波动网波动 15%，要求：效率70%以上。分析：分析：若线性电源，则需要工频变压器、整流、稳压环节，由于电网波动电网波动 15%、稳压环节的直流输入至少8V，达不到效率70%以上的要求。若采用开关电源，则直接对交流220V整流后，可采用整流后，可采用PWM控制、高频变压器，再整流输出。控制、高频变压器，再整流输出。在开关电源中包含在开关电源中包含直流直流-直流变流电路及高频变压器，都是直流变流电路及高频变压器，都是重要的部分。重要的部分。直流直流-直流变流电路及高频变压器设计直流变流电路

2、及高频变压器设计DCDC与变压器与变压器2题目题目1：制作一个5V/3A的直流电源，已知输入交流已知输入交流10V，电网，电网波动波动 15%，要求：效率70%以上；（2）交流侧的电流谐波小（正弦）。分析：分析：需要工频变压器220/10V、整流、DC/DC变换即开关电源，但是上述的整流环节无法满足电流谐波小的要求，必须采用PFC技术，本题中，该PFC可用升压斩波电路来实现。上述2题都涉及斩波电路和变压器，本次课主要介绍片段基础性内容。有机会的话将系统性地介绍。直流直流-直流变流电路及高频变压器设计直流变流电路及高频变压器设计DCDC与变压器与变压器3 1 基本斩波电路基本斩波电路 1.1 1

3、.1 降压斩波电路降压斩波电路 1.2 1.2 升压斩波电路升压斩波电路 2 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 2.1 正激电路正激电路 2.2 反激电路反激电路 3 高频高频变压器设计变压器设计 3.1 变压器工作原理（一般）变压器工作原理（一般）3.2 高频变压器设计（反激）高频变压器设计（反激）4 总结总结直流直流-直流变流电路及高频变压器设计直流变流电路及高频变压器设计DCDC与变压器与变压器41.1 降压斩波电路降压斩波电路图图1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时）电流连续时c）电流断续时的波形）电流断续时的波形降

4、压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）电路分析电路分析 使用一个使用一个全控型器件全控型器件V。续流二极管续流二极管VD，续流用续流用。主要用于电源或主要用于电源或反电动势反电动势等。等。工作原理工作原理 t=0时时V导通导通，uo=E，io上升。上升。t=t1时控制时控制V关断关断，二极管，二极管VD续续流，流，uo近似为零近似为零，电流下降。，电流下降。通常通常L大大，电流连续且脉动小。，电流连续且脉动小。DCDC与变压器与变压器51.1 降压斩波电路降压斩波电路基本的数量关系基本的数量关系 电流连续时电流连续时EETtEtttUonoffononoton，toff分别为分别

5、为V通、断时间，通、断时间，T为开关周期，为开关周期，为导通占空比。为导通占空比。例例1 在图所示的降压斩波电路中，已知在图所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，值极大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,计算输出电压平均计算输出电压平均值值Uo。解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为为(1)(805020020onVETtUoDCDC与变压器与变压器61.2 升压斩波电路升压斩波电路0iGE0ioI1a)b)图图2 升压斩波电路及其工作波形升压斩波电路及其工作波形a）电路图）电路图 b）波形）波形

6、 升压斩波电路升压斩波电路 工作原理工作原理 假设假设L和和C值很大。值很大。V通态通态，L蓄能蓄能，C较大较大Uo基本恒定。基本恒定。V断态断态，向，向C充电，并向负载供能。充电，并向负载供能。基本的数量关系基本的数量关系 稳态时，稳态时，L积蓄与释放的能量相等积蓄与释放的能量相等offoontIEUtEI11化简得化简得 EtTEtttUoffoffoffono上式中的上式中的 1/offtT(2)(3)DCDC与变压器与变压器71.2 升压斩波电路升压斩波电路设设 ，则，则Ttoff1式（式（5-21）可表示为）可表示为 EEUo111(4)分母小于分母小于1，升压。，升压。例例2 在图

7、所示的升压斩波电路中，已知在图所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和值和C值极值极大，大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当，采用脉宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo。解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为：)(3.13350254040offVEtTUoDCDC与变压器与变压器82 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 2.1 正激电路正激电路 2.2 反激电路反激电路 2.3 开关电源开关电源DCDC与变压器与变压器92.1 正激电路正激电路SuSiLiSOttttUiOOO图图 4 正激电路的原理图正激电

8、路的原理图图图 5 正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形正激电路正激电路(Forward)工作过程工作过程 开关开关S开通开通后，绕组后，绕组W1电压为电压为上正下负，上正下负，W2也是上正下负，故也是上正下负，故VD1为通态，为通态，VD2为断态，电感为断态，电感L电电流逐渐增长。流逐渐增长。S关断关断后，电感后，电感L通过通过VD2续流，续流，VD1关断。变压器的励磁电流经关断。变压器的励磁电流经N3绕绕组和组和VD3流回电源，所以流回电源，所以S关断后承关断后承受的电压为受的电压为iSUNNu)1(31DCDC与变压器与变压器102.1 正激电路正激电路BRBSBHO图图 6 磁心复

9、位过程磁心复位过程变压器的磁心复位变压器的磁心复位 开关开关S开通后，变压器激磁电流开通后，变压器激磁电流增长，可导致变压器激磁电感饱和。增长，可导致变压器激磁电感饱和。必须设法使必须设法使变压器的磁心复位变压器的磁心复位。复位时间复位时间on13rsttNNt输出电压输出电压TtNNUUon12io输出电感电流不连续时，在输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下负载为零的极限情况下 i12oUNNU(5)(6)DCDC与变压器与变压器112.2 反激电路反激电路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图图 7 反激电路原理图反激电路原理图图图8 反激电路的理想化波形反激电路的理

10、想化波形反激电路反激电路 工作过程工作过程 S开通开通，W1电流增长，电感储能。电流增长，电感储能。S关断关断，能量通过，能量通过W2绕组和绕组和VD向输向输出端释放，电压为出端释放，电压为 工作模式工作模式 当当S开通，开通，W2绕组的电流尚未下降绕组的电流尚未下降到零，为到零，为电流连续模式。电流连续模式。uUNNUSio12offon12iottNNUU 为了防止关断时开关为了防止关断时开关S的电压过高，的电压过高，也需要嵌位，该嵌位电压与输出电压的比也需要嵌位，该嵌位电压与输出电压的比值等于匝数比，值等于匝数比，有其它电路形式有其它电路形式。Uo(7)DCDC与变压器与变压器122.3

11、 开关电源开关电源如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交交直直交交直直电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。由于开关电源采用了由于开关电源采用了工作频率较高工作频率较高的交流环节，变压器和滤波的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于器都大大减小，因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于相控整流电源。相控整流电源。工作频率的提高还有利于控制性能的提高。工作频率的提高还有利于控制性能的提高。DCDC与变压器与变压器13正激电路正激电路反激电路反激电路

12、半桥电路半桥电路(-)全桥电路全桥电路(-)推挽电路推挽电路(-)全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流(-)开关电源开关电源上述都涉及到变压器上述都涉及到变压器小结小结DCDC与变压器与变压器143.1 变压器工作原理变压器工作原理变压器是一种静止的电气设备，变压器是一种静止的电气设备，根据电磁感应原理，将一根据电磁感应原理，将一种形态（电压、电流、相数）的交流电能，种形态（电压、电流、相数）的交流电能，转换成另一种转换成另一种形态的交流电能。形态的交流电能。电力变压器（升压、降压、配电）电力变压器（升压、降压、配电）特种变压器（电炉、整流）特种变压器（电炉、整流）仪用互感器（电压、电流互感仪

13、用互感器（电压、电流互感器、脉冲变压器，阻抗匹配变器、脉冲变压器，阻抗匹配变压器）压器）实验用变压器（高压、调压）实验用变压器（高压、调压）也可按线圈数目、铁心结构、相数或变压器冷却方式划分。也可按线圈数目、铁心结构、相数或变压器冷却方式划分。按频率分为低频、中频、高频变压器，工频的称为工频变压按频率分为低频、中频、高频变压器，工频的称为工频变压器。器。按用途按用途DCDC与变压器与变压器153.1 变压器工作原理变压器工作原理电源变压器电力变压器环形变压器接触调压器控制变压器三相干式变压器DCDC与变压器与变压器163.1 变压器工作原理变压器工作原理简单的单相变压器：两个线圈没有电的简单的

14、单相变压器：两个线圈没有电的直接联系，直接联系，只有磁的耦合。只有磁的耦合。原绕组原绕组（一次侧或初级绕组）：接交流电（一次侧或初级绕组）：接交流电源的线圈，源的线圈，匝数为匝数为N1,相关参数下标用相关参数下标用1.副绕组副绕组（二次绕组或次级绕组）：（二次绕组或次级绕组）：接到用接到用电设备上的线圈，其匝数为电设备上的线圈，其匝数为N2,相关参数下相关参数下标用标用2.交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势。交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势。dtdNeudtdNeu222111;变压器变压器原、副边电势之比原、副边电势之比等于等于原、副边匝数之比原、副

15、边匝数之比。DCDC与变压器与变压器173.1 变压器工作原理变压器工作原理几个概念：几个概念：空载电流空载电流二次侧开路时的二次侧开路时的一次侧电流一次侧电流主磁通主磁通同时与一次侧和同时与一次侧和二次侧绕组匝链的磁通二次侧绕组匝链的磁通，经经过铁芯（磁阻较小过铁芯（磁阻较小,非线性非线性,大大部分部分）闭合）闭合漏磁通漏磁通经过空气（磁阻较经过空气（磁阻较大大,线性）闭合，线性）闭合，小部分小部分一次侧漏磁通一次侧漏磁通仅与一仅与一次侧次侧绕组匝链的磁通绕组匝链的磁通二次侧漏磁通二次侧漏磁通仅与仅与一次侧绕组匝链的磁通一次侧绕组匝链的磁通i1i2E2eDCDC与变压器与变压器183.1 变

16、压器工作原理变压器工作原理1U1I11NI11e2e1e2U2I22NI22ei1i2E2eDCDC与变压器与变压器193.1 变压器工作原理变压器工作原理2244.4fNjEdtdNe11tmsin即即 0mm铁心中磁通最大值铁心中磁通最大值tNtdtdNemmcos)sin(111)90sin()90sin(11tEtNmm mmmmfNfNNEE1111144.42212感应电势时间感应电势时间上滞后于磁通上滞后于磁通90度度 2E1E一次侧主电势一次侧主电势二次侧电势二次侧电势1144.4fNjE相量表示：相量表示：当主磁通按正弦规律变化时，原绕组中感应电动势也按正弦规当主磁通按正弦规

17、律变化时，原绕组中感应电动势也按正弦规律变化，律变化，但相位比主磁通落后但相位比主磁通落后900。一次绕组内感应电势的有效值一次绕组内感应电势的有效值i1i2E2e设设 DCDC与变压器与变压器203.1 变压器工作原理变压器工作原理 由于输入电压为正弦波，普通工频变压器铁芯磁化曲线是正由于输入电压为正弦波，普通工频变压器铁芯磁化曲线是正负对称的，反电势与磁通的关系如上式子，有系数负对称的，反电势与磁通的关系如上式子，有系数4.44。如果输入电压为方波，可以推导出如果输入电压为方波，可以推导出系数为系数为4。如果输入电压不是正负对称的，原副边也存在磁耦合关系，如果输入电压不是正负对称的，原副边

18、也存在磁耦合关系，但要考虑几个问题：但要考虑几个问题：（1）磁链、磁势、磁通、磁密、磁阻的关系；）磁链、磁势、磁通、磁密、磁阻的关系；（2）偏磁问题；）偏磁问题；（3）磁饱和问题；）磁饱和问题；（4）磁复位问题。）磁复位问题。正激电路和反激电路的输入电压不是正负对称的，以反激电正激电路和反激电路的输入电压不是正负对称的，以反激电路为例设计高频变压器。路为例设计高频变压器。DCDC与变压器与变压器213.2 高频高频变压器设计变压器设计工作任务是：（1）确定变压器的铁芯型号、规格；-功率，截面积（2）绕组导线的型号、规格及匝数；-电流大小，电流密度J=2-3安/毫米2，匝数计算与电路形式有关（3

19、）使用绝缘材料的情况。-绝缘等级DCDC与变压器与变压器223.2 高频高频变压器设计变压器设计耐热绝缘等级 YAEBFHNC最高工作温度()90 105 120 130 155180200 220 根据变压器工作环境、温升情况及耐压要求选用合适的绝缘材料，绝缘材料的耐热等级一般分为Y、A、E、B、F、H、N、C级，其与最高工作温度的关系如表所示。以单端反激式高频电源变压器为例。在电路中兼有储能、限流和隔离作用，又因流过电流直流成分，设计难度比较大。DCDC与变压器与变压器233.2 高频高频变压器设计变压器设计 高频变压器的参数值往往要经过多次调整。高频电源变压器的设计程序：磁芯材料，磁芯结

20、构，磁芯参数，线圈参数，组装结构等内容。DCDC与变压器与变压器243.2 高频高频变压器设计变压器设计磁芯材料 变压器常用磁芯材料有：铁氧体、坡莫合金、非晶、超微晶合金软磁材料软磁材料、铁粉心材料等 磁芯结构 高频电源变压器设计中选择磁芯结构时考虑的因素有：降低漏磁和漏感，增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配接线方便等，有EI，EE，EC等DCDC与变压器与变压器253.2 高频高频变压器设计变压器设计 变压器参数计算变压器参数计算（1）脉冲信号最大占空比Dmax 电网电压在220（115%）V范围内变化，对应于187V253V。反电势嵌位160V。经过整流滤波后输出直流电压 m

21、axmax2UUpVUp3602532maxVUp2401873.1minminmin3.1 UUpmaxmin100%peDe Umax160100%40%160240DDCDC与变压器与变压器263.2 高频高频变压器设计变压器设计 最大开通时间和电压变化系数(2)初级线圈的电感量L1 输出总功率：maxmaxDTTonminmaxppvUUk maxmaxmaxmin)1(DkDDDvmin0.40.307(1 0.4)1.50.4DP=U*Imaxmin2DUPIpOP2 31.30.8690.75 240 0.4pIADCDC与变压器与变压器273.2 高频高频变压器设计变压器设计

22、高频变压器初级线圈的电感量L1由下式确定（3）确定初级线圈的匝数N1 (4)确定次级线圈匝数和反馈线圈匝数-V/匝 ppfIDULmaxmin113240 0.41.2270.869 90 10LmH41240 0.41086.61.2319 0.1 90NKeonpSBTUN*1maxmaxmin86.1861601NeDCDC与变压器与变压器283.2 高频高频变压器设计变压器设计(5)导线的选择 确定原副边导线的电流即可确定导线面积和型号，线径太小-发热，线径太大费材、体积大。(6)确定磁心尺寸（暂不要求掌握对公式的推导）(7)气隙计算2120.4pmeL IB A)(54.78421c

23、mkBdILAAmpceDCDC与变压器与变压器293.2 高频高频变压器设计变压器设计 思考题：思考题：为什么变压器原副边绕组一般套在同一铁心柱上？为什么变压器原副边绕组一般套在同一铁心柱上？把原副边绕组套在同一铁心柱上时,由于原副边绕组紧挨在一起（间隙实际上很小），部分漏磁通在空气中的路径大受限制，因此漏磁通较小，漏抗压降小，对变压器运行有利，因为变压器副边电压是随副边电流变化而变化，减小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化，使变压器副边电压比较稳定。设计之后的变压器需要绕制完成，下面简单叙述。DCDC与变压器与变压器303.2 高频高频变压器设计变压器设计 绕线前的准备工作（1）选择漆包线和

24、绝缘材料；（2）选择或制作绕组骨架；（3）制作木芯（木芯是套在绕线机转轴上支撑绕组骨架，以进行绕线）。绕线（1）绕组层次按一次侧、静电屏蔽层、二次侧高压绕组、二次侧低压绕组依次迭绕；（2）做好层间、绕组间及绕组与静电屏蔽层的绝缘；（3）当绕组线径大于0.2毫米时，绕组的引出线可利用原线，当绕组线径小于0.2毫米时，应采用软线焊接后输出，引出线应用绝缘套管绝缘。DCDC与变压器与变压器313.2 高频高频变压器设计变压器设计 绕组的测试（1）不同绕组的绝缘测试；（2）绕组的断线及短路测试。铁心叠装（1）叠装时要注意避免损伤线包；（2）铁心叠片要求平整且紧而牢，以防铁心截面达不到计算要求且会使硅钢

25、片产生振动噪音。DCDC与变压器与变压器323.2 高频高频变压器设计变压器设计 半成品测试（1）绝缘电阻测试（用兆欧表测试各组绕组之间及各绕组对铁心（地）的绝缘电阻）；（2）空载电压的测试（一次侧加额定电压时，二次侧空载电压允许误差：5%）；（3）空载电流的测试（一次侧加额定电压时，其空载电流应小于10%-20%的额定电流）。浸漆与烘干（1）绕组或变压器预烘干（去潮作用，温度不能超过变压器材料的耐温）；（2）浸漆（绕组或变压器浸漆）；（3）烘干（浸漆滴干后的绕组或变压器，再次送入烘箱内干燥，烘到漆膜完全干燥、固化不粘手为止。DCDC与变压器与变压器333.2 高频高频变压器设计变压器设计 成

26、品测试（1）耐压及绝缘测试（用高压仪、兆欧表测试各组绕组之间及各绕组对铁心（地）的耐压及绝缘电阻）；（2）空载电压、电流测试（同上）（3）负载电压、电流测试（一次侧加额定电压、二次侧加额定负载，测量电压与电流）。DCDC与变压器与变压器344 总结总结 一般情况下，要首先了解电路工作原理，变压器在电路中的工作状况，然后设计变压器；了解变压器的设计对理解变压器的特殊工作状态有帮助，如：激磁涌流、脉冲变压器等；变压器设计有工程设计方法，其设计步骤可以完全按照手册顺序进行；只要熟悉电磁原理，变压器的参数设计并不复杂，其设计公式都可以从电磁原理中推导出来；在。中，一般不会要求绕制变压器，事先准备，但了解设计过程，可以深入理解题目意图。