【正文】 re, the optimal design of highpower highfrequency transformer design is quit pivotal to the goals above.The optimal design aims at highpower highfrequency resonant capacitor charging power supply(CCPS) transformer, and optimal method is sought from the reducing volume and improving efficiency of power supply system point of view in this thesis. First, the working state of resonant CCPS transformer is analyzed, and a guiding principle of core material selection is provided, which is based on the paring material magnetic flux density working range with different rectangular ratio in this state. Secondly, on the basis of detailed analysis on the core and winding in transformer, a program to calculate losses, distribution parameters, volume and weight, is written using the Matlab software. Then optimal design of highfrequency transformer has been realized initially from the analytical point of view. Thirdly, threedimensional simulation is studied to analyze distribution parameters, electric field and temperature field distribution which are difficult to calculate accurately using analytical method. From the simulation results, more accurate leakage inductance and distributed capacitance value can be gotten, besides temperature field and electric field spatial distribution can be observed directly, which shortening the design cycle, reducing the development cost, and providing data to support transformer insulation and cooling systems design. Then transformer design is pleted after the adjustment of parameters gotten by initial optimal design. So the optimization results are obtained based on analytical method and ANSYS simulation analysis. Finally 42kW highfrequency transformers are produced, and the reasonableness of optimal design is verified through lab experiments.Key words: high power, high frequency, switching mode power supply transformer, optimum design, ANSYS目錄第1章 緒論 1 本課題的研究背景及意義 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 本文主要研究?jī)?nèi)容 4第2章 高頻開關(guān)電源的工作原理 5 高頻開關(guān)電源的構(gòu)成及分類 5 5 串聯(lián)諧振CCPS充電過程分析 6 串聯(lián)諧振CCPS輸出特性分析 10第3章 高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 13 13 高頻開關(guān)電源變壓器磁心分析 13 軟磁材料的發(fā)展歷程 13 串聯(lián)諧振CCPS對(duì)磁心材料的要求 15 磁心損耗特性 20 21 繞組損耗 21 繞組結(jié)構(gòu) 22 高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 24 設(shè)計(jì)參數(shù) 24 優(yōu)化設(shè)計(jì) 27第4章 基于ANSYS的高頻變壓器仿真研究 33 有限元法及ANSYS簡(jiǎn)介 33 有限元法簡(jiǎn)介 33 ANSYS簡(jiǎn)介 34 高頻變壓器的仿真研究 35 高頻變壓器漏感的仿真研究 36 高頻變壓器分布電容的仿真研究 39 高頻變壓器熱仿真研究 40 高頻變壓器電場(chǎng)仿真研究 43第5章 大功率高頻開關(guān)電源變壓器的研制與應(yīng)用 45 參數(shù)測(cè)試 45 45 分布電容的測(cè)量 46 CCPS中的應(yīng)用及分析 47結(jié)論 49致謝 50參考文獻(xiàn) 51附錄1 55附錄2 58攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 61西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第64頁(yè)第1章 緒論 本課題的研究背景及意義開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用及軍事電子設(shè)備的各個(gè)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部分，近年來已成為世界各主要國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)，其發(fā)展趨勢(shì)和追求目標(biāo)是頻率和功率密度的不斷提高[1][2][3]。接著本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)高頻變壓器中難以準(zhǔn)確解析計(jì)算的分布參數(shù)、溫度場(chǎng)和電場(chǎng)分布進(jìn)行了三維仿真分析，從仿真結(jié)果可以更準(zhǔn)確地得到了漏感和分布電容值，并可以直觀地觀察變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)和電場(chǎng)的空間分布，為變壓器的冷卻系統(tǒng)和絕緣設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持，且縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了研制成本；在此基礎(chǔ)上對(duì)初步優(yōu)化后的變壓器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完成設(shè)計(jì)。首先本文分析了諧振式開關(guān)電源變壓器所處的工作狀態(tài)，比較了不同矩形比磁心材料在該工作狀態(tài)下磁通密度的工作范圍，為高頻變壓器磁心材料的選取提供了指導(dǎo)原則。因此，大功率高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第VI頁(yè)摘 要 隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻化和高功率密度化已成為開關(guān)電源系統(tǒng)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。本學(xué)位論文屬于1．保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書；2．不保密□，使用本授權(quán)書。國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TM433西 南 交 通 大 學(xué)研 究 生 學(xué) 位 論 文大功率高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)年 級(jí) 二OO六級(jí) 姓 名 張朋朋 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 工 學(xué) 碩 士 專 業(yè) 物理電子學(xué) 指 導(dǎo) 教 師 劉慶想 教授 二OO九年 五 月Classified Index:TM433Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisOPTIMUM DESIGN OF HIGHPOWER HIGHFREQUENCY SWITCHING POWER SUPPLY TRANSFORMERGrade: 2006Candidate: Zhang PengPengAcademic Degree Applied for: Master DegreeSpeciality: Physical ElectronicsSupervisor: Liu Qingxiang西南交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”）學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)老師簽名：日期： 日期：西南交通大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所得的成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確的說明。本學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：采用三維有限元技術(shù)計(jì)算了高頻變壓器中的分布參數(shù)，提出一種根據(jù)充電電流波形測(cè)量分布電容的方法。變壓器是開關(guān)電源的核心部件，并且隨著頻率和功率的不斷提高，其對(duì)電源系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響也日益重要。本文針對(duì)大功率高頻諧振式電容器充電電源變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從減小電源系統(tǒng)體積、提高電源系統(tǒng)效率的角度出發(fā)，尋求高頻變壓器的優(yōu)化方法。然后在對(duì)變壓器磁心和繞組進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，用MATLAB軟件編寫了變壓器損耗、分布參數(shù)、體積和重量的計(jì)算程序，從解析角度出發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后本文根據(jù)解析法所得優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合ANSYS仿真分析，對(duì)42kW高頻變壓器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。高頻變壓器是開關(guān)電源的核心部件，是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹饕骷?，又是開關(guān)電源體積和重量的主要占有者和發(fā)熱源，一般占開關(guān)電源總體積的25%并超過總重量的30%[4]；隨著開關(guān)電源的高頻化，變壓器的分布參數(shù)對(duì)電源系統(tǒng)性能的影響變得越來越重要[5]；同時(shí)大功率化帶來的絕緣和散熱問題，也增加了高頻變壓器的設(shè)計(jì)難度，并成為影響開關(guān)電源系統(tǒng)的壽命和可靠性的重要因素[6]。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代以前，人們普遍采用的是線性調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，即傳統(tǒng)的線性電源，這類電源由于串聯(lián)晶體管的高損耗和工頻變壓器較大的體積和重量，使得其效率低、很難實(shí)現(xiàn)小型化，功率密度一般僅為。1964年，日本NEC雜志發(fā)表了兩篇具有指導(dǎo)性的文章：一篇為“用高頻技術(shù)使AC/DC電源小型化”；另一篇為“脈沖調(diào)制用于電源小型化”。1973年，美國(guó)摩托羅拉公司發(fā)表了一篇題為“觸發(fā)起20kHz的革命”的文章，從此在世界范圍內(nèi)掀起了高頻開關(guān)電源的開發(fā)熱潮，并將DC/DC轉(zhuǎn)換器作為開關(guān)調(diào)節(jié)器用于開關(guān)電源，使電源的功率密度由增加到?！?MHz 的高頻開關(guān)電源已實(shí)用化[13][14]，200～500kHz已成為輸出100W以下開關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)頻率，開關(guān)電源的功率密度已向的目標(biāo)發(fā)展[7]。對(duì)于開關(guān)式變換器來說，漏感會(huì)引起電壓尖峰，對(duì)電路中的器件產(chǎn)生損壞，分布電容會(huì)引起電流尖峰并延長(zhǎng)充電時(shí)間，增大開關(guān)以及二極管的損耗，降低變壓器的效率和可靠性[15]，因此在這種工作模式下希望盡可能的減小變壓器中的分布參數(shù)；對(duì)于諧振式變換器來說，可以對(duì)變壓器中的分布參數(shù)加以吸收或利用，全部作為諧振參數(shù)或其中的一部分，且解決了減小漏感和保證絕緣強(qiáng)度這一矛盾[16]，因此在這種工作模式下，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)漏感和分布電容的值，以滿足電源系統(tǒng)對(duì)諧振參數(shù)的要求。高頻變壓器中最常用的軟磁材料有鐵氧體、坡莫合金和非晶態(tài)合金。各種磁性材料均有其特點(diǎn)和最佳應(yīng)用環(huán)境，因此進(jìn)行高頻變壓器設(shè)計(jì)的首要問題是根據(jù)磁心的工作條件選取最佳的磁性材料。1966年Dowell提出了著名的Dowell模型，用于計(jì)算交流電阻與直流電阻之間的換算系數(shù)[18]。1892年Steinmetz提出了著名的用于計(jì)算磁心損耗的經(jīng)驗(yàn)公式，該經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)由磁心在若干頻率和磁密點(diǎn)下的損耗測(cè)量值經(jīng)曲線擬合得到。此后，眾多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)分別對(duì)納米晶合金軟磁材料的損耗進(jìn)行了分析，并擬合出不同頻率范圍下納米晶合金的Steinmetz公式[5][23]。高頻變壓器中分布電容的建模方法可歸結(jié)為兩類：第一類是從靜電場(chǎng)的角度將雙繞組變壓器視為三端口系統(tǒng)，在變壓器等效電路中引入六個(gè)電容來表示分布電容，它們可以通過靜電場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量計(jì)算出來；第二類從分布電容對(duì)變壓器帶來的物理效應(yīng)出發(fā)，將分布電容等效為三個(gè)集總電容構(gòu)成的形網(wǎng)絡(luò)，這三個(gè)集總電容可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一個(gè)并聯(lián)電容，這兩類模型均有相應(yīng)的計(jì)算公式和測(cè)量方法[26]。后者更適于采用三維分析，目標(biāo)是得到高頻變壓器設(shè)計(jì)中某些不易計(jì)算量的精確值，最終達(dá)到在一定程度上替代實(shí)驗(yàn)的目的。二十世紀(jì)六十年代以來，求解電磁場(chǎng)的各種數(shù)值方法迅速發(fā)展起來。但有限差分法的規(guī)則網(wǎng)格不能滿意地模擬幾何形狀復(fù)雜的問題，因此該方法在電磁場(chǎng)分析中的應(yīng)用逐漸被有限元法代替。Dai等人通過二維有限元方法，研究了繞組間隙及初級(jí)繞組的寬度對(duì)邊緣效應(yīng)的影響，得出漏感隨