要高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势
开关电源的工作原理及技术趋势
开关电源的工作原理及技术趋势开关电源是一种将电气能量转换成电子能量的电器设备。
它的工作原理是通过控制电子元件的导通和截止来实现电能的转换,将输入的交流电转换成需要的直流电,从而为各种电子设备提供稳定的电源供应。
开关电源具有体积小、效率高、稳定性好等优点,因此在各种电子设备中得到广泛应用。
开关电源的工作原理主要包括整流、滤波、变压、开关控制和稳压等环节。
首先是整流环节,将交流电转换成直流电;然后是滤波环节,通过电容、电感等元件将输出的直流电进行滤波处理,使电压更加稳定;接着是变压环节,通过变压器将电压调整到需要的水平;然后是开关控制环节,通过控制开关管等元件的导通和截止,将输入的电能转换成输出所需的电能;最后是稳压环节,确保输出的电压和电流稳定。
通过这些环节的协同作用,可以实现对输入电能的高效转换和稳定输出。
随着科技发展和市场需求的不断变化,开关电源技术也在不断进步和演进。
在目前的技术趋势中,主要体现在以下几个方面:1. 高效节能:随着节能环保理念的不断普及,对于开关电源的高效和节能要求也越来越高。
当前的技术趋势是不断提升开关电源的转换效率,降低能量损耗,以更好地满足能源节约和环境保护的要求。
一些新型的功率器件、控制模式和电路拓扑结构的应用,能够有效提升开关电源的转换效率,实现更加节能环保的电能转换。
2. 小型化高集成:随着电子设备的小型化和轻便化趋势,对于开关电源的体积和重量也提出了更高的要求。
当前的技术趋势是通过优化电路设计和采用高集成度的元器件,实现开关电源的小型化和轻量化。
一些新型的高集成度开关电源芯片、先进的封装技术和散热设计,能够使开关电源在保证性能的前提下,实现更小体积和更轻重量的设计。
3. 高可靠性:对于一些关键应用领域,如航天、医疗、军工等,对于开关电源的可靠性需求非常高。
当前的技术趋势是通过引入一些新型的故障检测保护技术、提升元器件的质量和稳定性,提高开关电源的可靠性和稳定性,以确保在恶劣环境和重要场合下能够长时间稳定工作。
开关电源的现状及发展趋势分析
开关电源的现状及发展趋势分析开关电源作为一种高效稳定的电源供应方式,已经在各个领域得到广泛应用。
本文将对开关电源的现状进行分析,并探讨其未来的发展趋势。
首先,我们来看开关电源的现状。
开关电源是一种将输入电压转换为直流电压输出的电源装置。
相比于传统的线性电源,开关电源具有效率高、体积小、体积轻、稳定性好等特点。
目前,开关电源已经广泛应用于电子设备、通信设备、工业设备等领域。
特别是随着电子产品的普及和便携性的要求,对于高效、小型的电源供应方式的需求越来越大。
在开关电源的技术方面,目前已经出现了一些新的发展趋势。
首先是功率密度的提高。
随着科技的发展,电子产品对功率密度的要求越来越高,这就要求开关电源能够在更小的体积和重量下提供更大的功率输出。
为实现这一目标,现代开关电源采用了更高频率的开关操作,以及更先进的半导体器件和变压器设计。
这些技术的引入,使得开关电源的功率密度不断提高,有些已经达到每立方英寸几千瓦的水平。
其次,开关电源的效率也在不断提高。
高效是开关电源的一大优势,目前一般的开关电源可以达到90%以上的转换效率。
但是,随着能源紧缺和环保意识的增强,人们对于电能的利用效率要求越来越高。
未来的开关电源将会采用更先进的半导体器件和控制算法,进一步提高转换效率。
另外,人们还在研究使用新的材料来减小电源的损耗,如石墨烯和碳纳米管等。
这些技术的引入,将进一步提高开关电源的效率。
再次,开关电源的稳定性也在不断提高。
稳定性是开关电源的另一个重要指标,尤其是对于一些对电压波动敏感的设备来说。
目前,开关电源已经普遍采用了反馈控制的技术,以确保输出电压的稳定性。
未来的发展方向是进一步提高反馈技术的精确度,并与其他技术如脉宽调制和多相变压器等进行结合,以提高稳定性。
最后,安全性是开关电源发展的一大趋势。
随着电子设备的普及,人们对于电源的安全性要求越来越高。
目前,开关电源已经采用了过压保护、过载保护和短路保护等安全措施。
开关电源研究背景历史与现状
开关电源研究背景历史与现状1研究背景2开关电源发展历史及现状1研究背景21世纪是信息化的时代,信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大,而这些电子设备、产品都离不开电源。
开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势,尤其是高频开关电源正变得更轻,更小,效率更高,也更可靠,这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。
从开关电源的组成来看,它主要由两部分组成:功率级和控制级。
功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求,选择不同的拓扑结构,同时兼顾半导体元件考虑设计成本;控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式,目前的开关电源以PWM控制方式居多。
2开关电源发展历史及现状开关电源最早起源于上世纪50年代初,美国宇航局以小型化、轻量化、为目标,为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个多世纪的发展过程中,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源,并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。
20世纪90年代,开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展时期。
历经几十年的不断发展,现代开关电源技术有了重大的进步和突破。
新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化,功率MOSFET和IGBT可使中小型开关电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能,它不仅可以减小电源的体积和重量,而且提高了电源的效率;控制技术的发展和专用控制芯片的生产,不仅使电源电路大幅度简化,而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高;有源功率因数校正(APFC)技术的开发,提高了AC/DC开关电源的功率因数,既治理了电网的谐波污染,又提高了开关电源的整体效率。
目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
浅谈开关电源的技术发展趋势
通 镶 电 潦 技 术 .
20 08年 1 月 2 1 5日第 2 5卷第 6期
Tee o Po rTe h oo y l c m we c n l g No . 5,2 0 ,Vo .2 .6 v2 08 1 5 No
文章 编号 :0 93 6 (0 8 0 —0 90 1 0 —6 4 2 0 ) 60 7 —2
制成 的磁 缓 冲器 。不 过 , 1MHz以上 的高 频 , 采 对 要 用谐 振 电路 , 这种 工 作 方 式 称 为谐 振 开关 方 式 。它 可 以极 大地 提高 开关 速度 , 理论 上 开关 损耗 为零 , 噪声 也 很小 , 这是 提 高开 关 电 源 工作 频 率 的一 种 方 式 。 目前 对 这 种开关 电源 的研 究 很 活跃 , 因为 采用 这 种 方 式 不 需 要 大 幅度 提 高开关 速 度就 可 以在理 论上 把开 关损 耗 降到零 , 且 噪声也 小 , 而 可望 成 为开关 电源高频 化 的一 种 主要 方式 。
Ab ta t s r c :Th e h o o y o wic i g p we u p y h sg e t e e o e v r t e p s e a e Th wi h n o r e t c n l g fs th n o rs p l a r a l d v l p d o e h a td c d . e s t i g p we y c s p l ih t k s t e t c n l g f s th n o r s p l s t e c r s wi e y u e . H ih f e u n y dg t l a i n u p y wh c a e h e h o o y o wi i g p we u p y a h o e i c d l s d g -r q e c , i i i t , az o mi i t r a i n a d h g n a u i t n ih—p we e st r h e eo me tt e d f s t h n o r s p l e h o o y z o o rd n i a e t e d v l p n r n s o wi i g p we u p y t c n l g . y c
开关电源的工作原理及技术趋势
开关电源的工作原理及技术趋势开关电源是一种常见的电源供应装置,其工作原理是利用电子器件(如晶体管、二极管等)开关的特性,通过控制开关的通断来实现对输入电压的变换和调节。
与传统的线性电源相比,开关电源具有体积小、效率高、稳定性好等优点,因此在各种电子设备中得到了广泛应用。
本文将对开关电源的工作原理及其技术趋势进行介绍。
一、开关电源的工作原理1.1 主要元件开关电源的主要元件包括变压器、整流器、滤波器、开关管和控制电路等。
开关管起着开关作用,它的导通与断开控制由控制电路完成;变压器则通过增加或减少交流电压,进而改变输入电压大小;整流器和滤波器则用于将交流电转换为直流电,并消除波动。
这些元件协同工作,实现对输入电压的变换和调节。
1.2 工作原理开关电源的工作原理可以分为两个阶段:变换阶段和整流滤波阶段。
在变换阶段,开关管周期性地开关,将输入电压转换为脉冲电压;接着,变压器将脉冲电压转变为所需稳定的输出电压。
在整流滤波阶段,通过整流器和滤波器将脉冲电压转换为稳定的直流电。
在这个过程中,控制电路起着关键作用,通过对开关管的控制,实现对输出电压的稳定调节。
1.3 工作特点相对于传统的线性电源,开关电源有以下显著的特点:1)效率高:由于开关电源采用开关管进行电压转换,其工作状态为全导通或全关断,几乎没有导通电压降和开关损耗,因此效率高于传统线性电源。
2)体积小:采用高频开关技术,可以使开关电源的变压器体积大大缩小,从而使整个电源装置的体积大大减小。
3)稳定性好:开关电源的输出电压可以通过控制开关管来实现精确调节,因此其稳定性好,适用于对电压稳定性要求较高的场合。
二、开关电源的技术趋势2.1 高频技术随着功率器件和控制技术的不断发展,高频开关技术已成为开关电源的主要发展方向。
通过提高开关频率,可以缩小变压器和滤波器的体积,提高整个电源的效率。
目前,已经出现了工作频率达到数十MHz甚至更高的开关电源,这些高频开关电源在手机、平板电脑等便携式设备中得到了广泛应用。
开关电源竞争分析报告
开关电源竞争分析报告一、引言开关电源作为一种新型的电源供应技术,在现代工业和生活中得到广泛的应用。
开关电源具备高效率、体积小、功率密度高、可靠性强等特点,逐渐替代了传统的线性电源。
本报告将分析当前开关电源市场竞争状况,探讨竞争因素、市场趋势以及发展前景。
二、竞争因素1. 产品性能:开关电源的产品性能是消费者选择的重要因素之一。
较高的转换效率、稳定的电压输出、低噪音、低波动等性能指标可以提高产品的市场竞争力。
2. 价格:价格是消费者购买行为的重要决定因素之一。
在开关电源市场竞争中,价格战是常见的竞争策略之一,品牌之间通过降低价格来争夺市场份额。
3. 品牌影响力:在市场竞争中,具备强大品牌影响力的企业往往能够获得较大的市场份额。
品牌的知名度和声誉可以帮助企业积累忠实的消费者群体,提高品牌的市场竞争力。
4. 售后服务:优质的售后服务可以增加产品的附加值,提高用户的满意度。
快速响应用户需求,提供及时高效的技术支持和维修服务,是企业赢得用户信任的关键。
三、市场趋势1. 高效能:随着全球节能环保意识的提高,市场对高效能开关电源的需求不断增加。
高效的开关电源可以提高能源利用率,减少能源消耗,符合可持续发展的要求。
2. 小型化:随着电子设备的小型化和轻量化趋势,市场对于小体积的开关电源的需求也在增加。
小型化的开关电源可以提供更灵活的安装方式,适应不同场景的需求。
3. 高可靠性:对于一些对电源供应要求较高的行业,如工业控制、医疗器械等,市场需求的关键点是高可靠性。
高可靠性的开关电源具备较高的稳定性和故障自修复能力,能够有效降低生产中断和损失。
4. 智能化:随着物联网、人工智能等技术的发展,市场对具备智能化特点的开关电源需求逐渐增加。
智能开关电源可以通过监测和控制系统,实现远程监控和管理,提高工作效率和可靠性。
四、发展前景1. 市场需求广阔:随着各个行业对电源供应需求的不断增加,开关电源市场具有广阔的发展前景。
尤其是在新兴行业如电动汽车、光伏发电、新能源等领域,开关电源的需求将持续增长。
开关电源的工作原理及技术趋势
开关电源的工作原理及技术趋势开关电源是一种将电能转换为稳定的输出电压或电流的电子设备,其工作原理是利用电子器件进行高效的能量转换。
与传统的线性电源相比,开关电源具有体积小、效率高、稳定性好、适应性强等优点,因此在各个领域得到了广泛的应用。
本文将介绍开关电源的工作原理及其技术趋势。
一、开关电源的工作原理开关电源主要由开关管、变压器、整流器、滤波器和稳压器等部分组成。
其工作原理是将输入的交流电转换为中间直流电,再经过PWM控制器进行高频开关调制,最终通过变压器将电压转换为需要的输出电压。
以下为开关电源的基本工作原理:1. 输入电压整流开关电源的输入电压一般为交流电,首先通过整流桥整流成直流电。
整流后的直流电进入电容滤波器,使其变得更加平稳。
2. 高频开关调制经过电容滤波后的直流电进入PWM控制器,PWM控制器通过高速开关管(一般为MOSFET)进行开关调制,将直流电转换成高频的脉冲电流。
3. 变压器转换高频脉冲电流经过变压器,其变压比将输入电压转变为需要的输出电压。
4. 输出整流和滤波经过变压器后的电压再次通过整流桥整流成直流电,经过电容滤波器滤除高频噪音,得到稳定的输出电压。
5. 稳压最终通过稳压器保持输出电压的稳定。
以上为开关电源的基本工作原理,通过高效的能量转换实现了输入电压到稳定输出电压的转换。
二、开关电源的技术趋势1. 高效节能随着能源问题日益严峻,开关电源的节能效果将成为其发展的重点。
未来的开关电源将会倾向于高效、低功耗、低损耗的设计,以满足节能环保的要求。
2. 高集成度随着电子技术的发展,集成电路的功能越来越强大,未来的开关电源将会更加趋向于高集成度的设计,将各个功能模块整合到一个芯片中,从而减小体积、提高效率。
3. 数字化控制未来的开关电源将会更加注重数字化控制,利用数字信号处理器(DSP)等技术实现更加精确的电源控制,从而提高电源的稳定性和可靠性。
4. 多层次保护未来的开关电源将加强对电源设备的多层次保护,包括输入过压保护、输出过载保护、短路保护等,以提高设备的安全性和可靠性。
平面变压器的技术优势
平面变压器的技术优势
高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势,要做到这一点,必须提高磁元件的功率密度平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合,使得高频寄生参数大大降低,极大地改进了开关电源的工作状态,因此近年来得到了广泛的使用研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式,介绍了设计平面变压器的一个标准方法,从而使得设计过程变得更加简单,大大降低了设计成本。
最后,比较了平面变压器和传统变压器的一些参数,并给出了设计方针。
引言
磁性元件的设计是开关电源的重要部分,因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势,因此近年来得到了广泛的应用。
对于一个理想的变压器来说,初级线圈所产生的磁通都穿过次级线圈,即没有漏磁通。
而对普通变压器来说,初级线圈所产生的磁通并非都穿过次级线圈,于是就产生了漏感,电磁耦合的紧密要求也无法满足。
而平面变压器只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。
所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求。
因此,平面变压器的特点就显而易见了:平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小;平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低,这使变换器做在一个板上的设想得到实现。
但是,平面结构存在很高的容性效应等问题,大大限制了它的大规模使用,不过,这些缺点在某些应用中,也有可能转换为一种优点。
另外,平面的磁芯结构增大了散热面积,有利于变压器散热。
1 平面变压器的特性研究。
软开关技术发展现状的研究
技术方案
3、零电压切换软开关技术:该技术通过在开关切换前将电压降至零,实现平 滑切换。其主要优点是可靠性高、电磁干扰小,但存在控制相对复杂、成本较高 等问题。
技术方案
4、零电流切换软开关技术:该技术通过在开关切换前将电流降至零,实现平 滑切换。其主要优点是可靠性高、电磁干扰小,但存在控制相对复杂、成本较高 等问题。
内容摘要
结论与展望:本次演示通过对软开关功率因数校正技术的研究,得出了其在 改善电力质量、提高功率因数和降低谐波污染方面的优势。实验结果表明,软开 关功率因数校正技术具有广泛的应用前景,尤其在新能源、智能电网等领域具有 重要意义。然而,该技术在实际应用中仍存在一定的挑战,如设备成本较高、占 地面积较大等问题。
开关电源技术的分类
开关电源技术的分类
开关电源技术按照不同的分类方式可以分为多种类型。根据工作原理,开关 电源可以分为硬开关和软开关两种。硬开关电源是通过开关器件的通断来实现电 源的开关,这种方式的优点是效率高、成本低,但缺点是开关器件的通断过程中 会产生很大的电流和电压冲击,容易导致电磁干扰和机械应力等问题。软开关电 源则是通过谐振、准谐振或直流叠加等技术实现开关器件的软开关,从而避免了 硬开关电源的这些问题。
背景
背景
软开关技术是一种在开关切换过程中,通过一定的控制策略,使开关器件的 电压和电流得到有效降低,从而实现平滑切换的技术。自20世纪90年代以来,随 着电力电子技术的快速发展,软开关技术得到了广泛和研究。然而,现有的软开 关技术方案在某些方面仍存在一定不足,如控制策略复杂、成本较高等,因此需 要进一步加以研究和完善。
内容摘要
智能软开关技术在配电系统中的应用场景非常广泛,主要体现在以下几个方 面。首先,在工业自动化领域,智能软开关技术可以应用于电力系统的运行监控、 电能质量管理和设备保护等方面,提高工业生产的稳定性和可靠性。其次,在建 筑智能化领域,智能软开关技术可以实现楼宇自动化控制、智能照明、能源管理 等功能,提高建筑的舒适性和节能性能。
开关电源技术发展综述
开关电源技术发展综述引言开关电源技术作为一种高效、稳定的电源供应方案,在现代电子设备中得到广泛应用。
本文将全面、详细、完整地探讨开关电源技术的发展历程、现状和未来趋势。
开关电源的基本原理开关电源是通过周期性开关和断开来实现电源输出的一种电源供应方式。
其基本原理是利用开关管的导通和截止,控制输入电源与负载之间的有效连接和断开。
开关电源的发展历程1.第一代开关电源:早期的开关电源技术主要采用线性稳压方式,效率低下,体积庞大。
2.第二代开关电源:20世纪70年代,随着微电子技术的进步,开关电源逐渐发展为直流-直流转换器(DC-DC Converter),提高了效率和功率密度。
3.第三代开关电源:21世纪初,高频开关电源得到快速发展,采用谐振技术、软开关等新技术,进一步提高了效率和可靠性。
4.当前开关电源技术:当前,开关电源技术已广泛应用于电子设备、通信设备、工业控制等领域,并在功率密度、效率和可靠性方面实现了显著的进步。
开关电源技术的应用领域1.电子设备:开关电源广泛应用于计算机、手机、平板电脑等消费电子产品的电源模块中,提供稳定、高效的电源供应。
2.通信设备:移动通信基站、通信交换设备等通信设备对电源稳定性和效率要求高,开关电源成为首选。
3.工业控制:工业设备对电源的要求较高,开关电源可以提供稳定的电源输出,并具有较强的抗干扰能力。
4.其他领域:医疗设备、航空航天、车载设备等领域也都广泛应用了开关电源技术。
开关电源技术的优势和挑战优势1.高效率:开关电源相比线性稳压方式,具有更高的能量转换效率,减少能源浪费。
2.小体积:开关电源可以实现更小的体积和重量,有利于提高设备的便携性和集成度。
3.稳定性好:开关电源能够提供稳定的输出电压和电流,对电源波动和负载变化具有较强的适应性。
4.可靠性高:现代开关电源技术采用先进的保护电路和故障检测机制,提高了系统的可靠性和稳定性。
挑战1.电磁干扰:开关电源在切换过程中产生较大的电磁干扰,需要采取措施进行抑制,以免影响设备的正常工作。
开关电源的基本概念
响应时间与稳定性
响应时间
指开关电源对负载变化做出反应 并稳定输出的时间。
稳定性
指开关电源输出电压或电流的稳 定程度,包括长期稳定性和瞬态
稳定性。
快速响应和稳定性
表明开关电源具有良好的动态性 能和调节能力,能够适应负载变 化并保持稳定的输出,提高了电
源的使用可靠性和稳定性。
04 开关电源的分类与选择
高频化与小型化
总结词
随着电子设备的发展,开关电源的高 频化和小型化成为了重要的技术发展 方向。
详细描述
高频化能够减小开关电源的体积和重 量,提高其功率密度和响应速度。而 小型化则能够满足电子设备日益紧凑 的需求,使开关电源更好地集成到各 种设备中。
智能化与网络化
总结词
智能化和网络化是开关电源未来发展的重要趋势,能够提高开关电源的性能和可靠性,同时方便对其 进行远程监控和管理。
高效、可靠、体积小、重量轻、 调节方便、输出稳定等。
开关电源的应用领域
通信领域
通信设备中大量使用开 关电源,如基站、交换
机等。
电力电子领域
电机控制器、逆变器、 UPS等。
工业控制领域
家电领域
各种自动化设备和控制 系统。
电视、冰箱、空调等家 电设备中也有广泛应用。
开关电源的基本组成
输入电路
输入电路的作用是接收外部电 源,并进行滤波和整流,将交
开关电源的电路结构
输入电路的作用是隔离和整流输 入电压,以减少对电网的干扰和 防止电源对电网产生谐波干扰。
控制电路的作用是根据输出电压 和电流的变化,自动调节开关管 的开通和关断时间比率,维持输 出电压的稳定。
开关电源主要由输入电路、功率 变换电路、控制电路、输出电路 等组成。
开关电源行业分析报告
开关电源行业分析报告开关电源行业分析报告一、行业概况开关电源是将交流电转换为直流电供给电子设备使用的一种电源装置。
随着电子产品的广泛应用,开关电源逐渐成为各个行业的重要配套产品。
开关电源行业除了满足国内市场需求外,还面临着国际市场的竞争。
根据中国电子行业协会的数据,2019年,中国开关电源的销售额达到了800亿元,市场规模逐年增长。
二、行业发展趋势1. 多样化需求:随着电子设备的多样化,对开关电源的需求也越来越多样化。
各个行业对开关电源的要求不同,需要针对不同行业的需求进行研发和生产。
2. 高性能要求:随着科技的发展,对开关电源的性能要求也越来越高。
要求更高的功率密度、更高的效率和更高的可靠性。
3. 绿色环保:环保问题是当前全球关注的热点之一,开关电源行业也不例外。
未来的发展趋势是制造更加节能环保的开关电源产品。
三、主要问题与挑战1. 技术创新:目前国内外对开关电源技术的研究和发展十分活跃,竞争加剧。
中国开关电源企业需要加大对技术的创新投入,提高自身的研发能力。
2. 资金压力:开关电源行业需要高额的研发投入,但目前国内企业在资金方面仍面临较大的压力。
需要寻找更多的资金来源,提高企业的研发能力和竞争力。
3. 国内外市场竞争:开关电源行业面临来自国内外的激烈竞争。
国内企业需要提高产品质量和技术水平,降低生产成本,才能在市场竞争中占据一席之地。
四、发展机遇1. 新能源市场:随着新能源的快速发展,如太阳能、风能等,对于高效节能的开关电源的需求也在增加。
开关电源企业可以借助新能源市场的机遇,进一步发展壮大。
2. 5G市场:随着5G技术的快速普及,对高性能的开关电源的需求也在增加。
开关电源企业可以抓住5G市场的机遇,加大研发投入,提供符合5G技术需求的产品。
五、发展建议1. 加大技术创新力度:加强对开关电源技术的研究和开发,提高产品的性能和品质,以满足不断变化的市场需求。
2. 加强人才培养和引进:培养和引进高素质的开关电源专业人才,提高企业的研发能力和创新能力。
关于开关电源发展方向
关于开关电源发展方向关于开关电源的发展方向(1)高频开关电源是其发展方向。
高频使开关电源小型化,使开关电源进入更广阔的市场泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关电源的发展前进,每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
开关电源可分为ac/dc和dc/dc两大类,dc/dc变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但ac/dc的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
另外,开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
(2)开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、igbt和mosfet、变压器。
scr在开在断电输入整流电路和软启动电路中有一些应用。
GTR驱动困难,开关频率低。
它逐渐被IGBT和MOSFET所取代。
(3)开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
由于开关电光、小、薄光源的关键技术是高频。
因此,国外主要开关电源制造商致力于同步开发新型智能元件,特别是改善二次整流装置的损耗,加大功率铁氧体材料的科技创新,为了提高电容器在高频大磁通密度下的高磁性能,电容器的小型化也是一项关键技术。
SMT技术在开关电源中的应用取得了很大的进展。
电路板两侧均设有元件,以保证开关电源轻、小、薄。
开关电源的高频化必然会对传统的PWM开关技术进行创新。
ZVS和ZCS软开关技术已成为开关电源的主流技术,极大地提高了开关电源的工作效率。
对于高可靠性指标,美国开关电源制造商通过降低工作电流和结温来降低器件的应力,从而大大提高产品的可靠性。
(4)模块化是开关电源发展的总趋势。
模块化电源可用于形成分布式电源系统设计成n+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。
针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。
开关电源的发展
开关电源的发展1.主要发展趋势开关电源未来发展的主要趋势有两种,一是向集成化方向发展,功率密度将越来越大,工艺要求也会越来越高。
在磁性材料和半导体器件没有出现新的突破之前,技术创新的重点将集中在提高效率和减小重量。
所以工艺水平将在电源制造中占有越来越高的地位。
另一方面,数字控制集成电路的应用,这依赖与 DSP(Dignal Signal Processing)运行速度和抗干扰技术的不断提高。
2.主要技术(1)高频化技术。
随着开关频率的提高,开关变换器的体积也随之减少,功率密度也得到大幅度提升,动态响应得到改善。
小功率 DC-DC 变换器的开关频率将上升到 MHz。
但随着开关频率的不断提高,开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频 EMI 等新的问题也将随之产生。
(2)软开关技术。
为提高变换器的变换效率,各种软开关技术应运而生,具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术,主要包括零电压开关/零电流开关(ZVS/ZCS)谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术(ZVS/ZCS-PWM)以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制(ZVS/ZCS-PWM)技术等。
采用软开关可以有效地降低开关损耗和开关应力,有助于变换器变换效率的提高。
例如在 PWM 电路中介入电感和电容构成就准谐振电路,它可以将流经开关管的电流以及开关管两端的电压波形成准正弦波。
如图 1-11 所示为电流谐振开关(ZCS)和电压谐振开关(ZVS)的基本电路及工作波形。
图 1-11(a)所示是电流谐振开关,谐振用电感 L 和开关管 VT 串联,流经开关的电流 is 为正弦波的一部分。
当开关导通时,电流 is 从 0 以正弦波形状上升,上升到电流峰值后,又以正弦波形状减小到零,电流变成零以后,开关断开。
开关再次导通时,重复以上过程。
有此可见,开关在零电流时通断。
在零电流开关中,开关通断与电压重叠的电流非常小,从而可以降低开关损耗。
采用电流谐振开关时,寄生电感可作为谐振电路元件的一部分,这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。
buck变换器毕业论文
buck变换器毕业论⽂buck变换器毕业论⽂专业:电⽓⼯程与⾃动化⾼频同步整流BUCK变换器的设计与仿真摘要便携式电⼦产品的⼴泛应⽤,推动了开关电源技术的迅速发展。
因为开关电源具有体积⼩、重量轻以及功率密度和输出效率⾼等诸多优点,⼰经逐渐取代了传统的线性电源,随之成为电源芯⽚中的主流产品。
随着开关电源技术应⽤领域的扩⼤,对开关电源的要求也⽇益提⾼,⾼效率、⾼可靠性以及⾼功率密度成为趋势,这就对开关电源芯⽚设计提出了新的挑战。
本⽂⾸先概述了现有开关电源设计技术及其发展趋势,接着介绍了BUCK变换器的电路结构、⼯作原理及控制原理。
最后进⾏了芯⽚系统的仿真研究,其中⾸先介绍了所选芯⽚的性能特点及其经典电路图,然后利⽤LTSPICE进⾏了仿真验证。
关键词:开关电源,BUCK变换器,同步整流,LTSPICE仿真The Design and Simulation of the High-Frequency Synchronous BUCK ConvertersAbstractThe widely use in portable electronic products promoted the rapid development of switching power supply technology. The switching power converters are increasingly replacing traditional linear power supply due to its small space, light weight, low power dissipation, high efficiency, adoption and broad applicability, etc. As the application field expanded, switching power converters have to become more efficient and more reliable with high power density to meet such a stringent requirement. The article introduces the status of switching power converters and its development trend, then shows the circuit of BUCK converters, and then analyzes its working principle and control theory. Finally, the simulation of the BUCK chip was carried out. This section firstly introduces the performance characteristics of the selected chip and its classic circuit, then shows the results of the simulation.Key Words:Switching power supply; BUCK converter; Synchronous rectification; Simulation based on LTSPICE⽬录摘要 (ⅰ)Abstract (ⅱ)第⼀章引⾔ (1)1.1 课题的背景和研究意义 (1)1.2 开关电源技术研究现状 (2)1.2.1 半导体功率器件 (2)1.2.2 软开关技术 (2)1.2.3 同步整流技术 (3)1.2.4 电压调节模块 (3)1.3 开关电源技术发展趋势 (4)1.3.1 ⾼效率 (4)1.3.2 低压⼤电流 (4)1.3.3 智能化设计 (5)1.3.4 标准化⼯作 (5)1.4 论⽂结构和主要内容 (5)第⼆章同步整流BUCK变换器原理 (7)2.1 BUKC变换器主电路结构和⼯作原理 (7)2.2 BUKC变换器稳态分析 (8)2.2.1 连续导通模式(CCM) (8)2.2.2 不连续导通模式(DCM) (11)2.2.3 CCM和DCM的临界条件 (14)2.3 BUKC变换器控制原理 (15)2.3.1 脉冲宽度调节(PWM) (16)2.3.2 脉冲频率调节(PFM) (18)第三章降压型开关电源芯⽚的仿真研究 (20)3.1 LTC3854特点及典型应⽤电路 (20)3.2 仿真及结果分析 (21)第四章结语 (24)参考⽂献 (25)致谢 (26)第⼀章引⾔1.1 课题的背景和研究意义随着电⼦技术的快速发展,电⼦设备的种类越来越多,电⼦设备与⼈们的⼯作、⽣活的关系也⽇益密切。
2020年(发展战略)要高功率密度是当今开关电源发展的主要方向
(发展战略)要高功率密度是当今开关电源发展的主要方向摘要:高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势,要做到这壹点,必须提高磁元件的功率密度平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合,使得高频寄生参数大大降低,极大地改进了开关电源的工作状态,因此近年来得到了广泛的使用研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式,介绍了设计平面变压器的壹个标准方法,从而使得设计过程变得更加简单,大大降低了设计成本.最后,比较了平面变压器和传统变压器的壹些参数,且给出了设计方针.关键词:平面变压器;漏感;插入技术0引言磁性元件的设计是开关电源的重要部分,因为平面变压器于提高开关电源的特性方面有着很大的优势,因此近年来得到了广泛的应用.对于壹个理想的变压器来说,初级线圈所产生的磁通均穿过次级线圈,即没有漏磁通.而对普通变压器来说,初级线圈所产生的磁通且非均穿过次级线圈,于是就产生了漏感,电磁耦合的紧密要求也无法满足.而平面变压器只有壹匝网状次级绕组,这壹匝绕组也不同于传统的漆包线,而是壹片铜皮,贴绕于多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上.所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流能够通过且联进行扩充,以满足设计的要求.因此,平面变压器的特点就显而易见了:平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小;平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低,这使变换器做于壹个板上的设想得到实现.可是,平面结构存于很高的容性效应等问题,大大限制了它的大规模使用,不过,这些缺点于某些应用中,也有可能转换为壹种优点.另外,平面的磁芯结构增大了散热面积,有利于变压器散热.1平面变压器的特性研究如前所述,平面变压器的优点主要集中于较低的漏感值和交流阻抗.绕组问的间隙越大意味着漏感越大,也就产生更高的能量损失.平面变压器利用铜箔和电路板间的紧密结合,使得于相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此能量损耗也就很小了.于平面型变压器里,其“绕组”是做于印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊.扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗,也就是涡流损耗.因此,能最有效地利用铜导体的表面导电性能,效率要比传统变压器高得多.图1给出了壹个平面变压器的剖面图,且且利用俩层绕组间距离的不同,而获得于不同间隙下的漏感和交流阻抗值.图2和图3给出了于不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化,能够明显地见出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小.于间隙增加1mm的情况下漏感值增加了5倍之多.因此,于满足电气绝缘的情况下,应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值.然而,容性效应于平面变压器中是非常重要的,于印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显.而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响,绝缘材料的介电常数越高,变压器的容性值越高.而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰.为了验证,笔者做了壹个试验,于铜导线的间隙增加O.2mm的情况下,而电容值就减少了20%.因此,如果需要壹个比较低的电容值,则必须于漏感和电容值之间做出壹个折中的选择.2插入技术插入技术是指于布置变压器原、副边绕组时,使原边绕组和副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合以减小漏感,同时使得电流平均分布,减小变压器损耗.当下插入技术的研究被分为俩个方面,即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路).因此,插入技术当下已经被放于不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究.2.1应用于平面变压器的插入技术应用于变压器中的插入技术的主要优点如下:1)使变压器中磁性能量储存的空间减少,导致漏感的减少;2)使电流传输过程中于导体上理想分布,导致交流阻抗的减少;3)绕组间更好的耦合作用,导致更低的漏感.为了说明插入技术的特征,图4给出了应用3种不同插入技术的结构,P代表初级绕组,s代表次级绕组.试验显示SPSP结构是最好的,因为初级和次级的绕组均是间隔插人的.图5显示了于500kHz时,3种结构的交流阻抗和漏感值,通过比较能够很容易地发现应用了插入技术的变压器,交流阻抗和漏感值均有了很大的减少.2.2多绕组变压器中平面结构的优势平面变压器另壹个重要的优点是高度很低,这使得于磁芯上能够设置比较多的匝数.壹个高功率密度的变换器需要壹个体积比较小的磁性元件,平面变压器很好地满足了这壹要求.例如,于多绕组的变压器中需要非常多的匝数,如果是普通的变压器将会造成体积和高度过大,影响电源的整体设计,而平面变压器则不存于这壹问题.另外,对于多绕组的变压器来说,绕组间保持很好的耦合非常重要.如果耦合不理想则漏感值增大,将会使得次级电压的误差增大.而平面变压器因为具有很好的耦合,使得它成为最佳的选择.2.3于不同拓扑中平面变压器的作用于不同的拓扑中,磁性元件的作用也是不同的.于正激变换器中的变压器,磁性能量于主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中.然而,于反激变换器中的“变压器”且不完全是壹个变压器,而是俩个连接的电感器.于反激拓扑中的“变压器”于主开关管开通的时候初级绕组储存能量,而于关闭的时候将能量传送到次级绕组.因此,这种插入技术的优点同上面相比是不同的.应用于这种变压器的插入技术的特点如下:1)于磁芯中储存的能量没有减少,因为电流于某时刻只能于壹个绕组中流动,且且没有电流补偿;2)电流的分布且不理想,原因同上,因此交流阻抗也没有减小;3)插入使得绕组间产生较好的耦合,因此有比较小的漏感值.3平面变压器的标准化设计平面变压器的优点如上所述,同样它也有缺点,其最主要的缺点就是设计的过程非常复杂,而且设计成本也非常高.下面介绍壹种标准的设计平面变压器的程序步骤[3];它通过提供壹个标准的匝数模型的设计,使之能够被使用于不同的平面变压器中,从而使得设计过程大大简化,费用大大降低.于双面PCB板的每壹层均是由壹到多匝的绕组组成的,而且所有的层均保持着壹样的物理特性:即相同的形状和相同的外部连接点.于有些多匝的层次中,这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点.如果有些层只有壹匝,它也能够被印制于PCB的双面来降低交流阻抗.使用铜箔直接印制于PCB板上来替代传统的导线,即使于许多需要很多匝数的开关电源中,变压器依旧能保持壹个很小的体积,这便大大减小了整机的体积.具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[3].图6显示了壹个顶层的标准匝数设计的例子,它使用的是罐形(RM)磁芯.铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取,这样能够使铜箔的所有部分均成为电流通路,大大减少集肤效应的影响.因此,应该使每壹种开关频率对应于不同的铜箔高度.4实验论证为了比较平面变压器和传统变压器,分别做了俩种变压器的模型,壹种使用平面结构且使用了插入技术,另壹种使用铜线分别于初级和次级绕制而成.俩种变压器均被运用于壹个互补控制的半桥变换器中.俩个变压器的参数如下:初级12匝:次级俩个l匝的绕组(1:1中心抽头).传统变压器使用漆包线作为绕组,虽然于这些线圈中电流密度不尽相同,选择电流密度小于7.5A/mm.平面变压器初级绕组做成4层,有4个且列的次级.这个变压器的最终结构如图7所示.俩种变压器均使用了同样的磁芯RM10,比较了俩种变压器的漏感,交流阻抗和占用的面积,结果列于表1.由表1可知,平面变压器的漏感仅为传统变压器的1/5,交流阻抗也仅为l/3,由此可见这将大大提高变换器的工作特性.而且,由于结构的更加紧凑,使得能够使用更小的RM8磁芯.5结语平面变压器于减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点,且且因为体积的小巧使之成为壹种非常好的磁性元件.给出了壹种标准的设计平面变压器的方法,使得设计平面变压器变得更加容易,成本也将大大降低.能够预见,平面变压器将有着相当好的应用前景.。
新一代开关电源发展趋势
布或 电源系统 ;可以设计成 N I + 冗余电源系统 , 从而提高可靠性 ; 可以做成插入式结构 , 实现热更 换 ,从而在 运行 中 出现故 障时能 快速 更换模 块插
件 ; 台模 块并用 可实 现大功 率 电源 系统 。此外 , 多 还 可在 电源系统建 成后 , 根据需 要扩 充容量 。
序 、 作有标 准 。从 而 约束 了人 为失误 , 可 能发 动 把 生 的灾 害减 少到 最低 程度 。规 范 化操 作是 安 全管
工进行必要 的经济处罚要做到合法 、 合理 、 合情 。 更 为重 要 的是实 施正 激励 机制 ,让 员T 愉快 的 T
Байду номын сангаас
3 高效率
为了使开关电源轻 、 、 , 小 薄 高频化( 开关频率 达兆赫级 ) 是必然发展趋势。 而高频化又必然使传
统的 P WM 开关 功 耗 加大 、 率 降 低 、 声 提 高 , 效 噪 且 达不到高 频 、 的预期 效益 , 高效 因此 实现零 电压 导通 、零 电流关断 的软开关 技术将 成 为开关 电源 产 品的发展 方 向。采 用软开 关技术 可使 效率 达到
1 小型、 薄型 、 轻量化
使开关 电源小型化的具体办法有 :一是高频 化。为了实现电源高功率密度, 必须提高 P WM变 换器的工作频率 、从而减小电路 中储能元件的体
积 重量 。 二是应 用压 电变压器 。 应用 压 电变 压器 可
8% 8%。 5 一 8 据悉 , 美国 V C R开关电源公司设计 IO 制造了多种 E Z C 软开关 D /C CD 变换器 , 其最大输
中提 高 了 集 成 度 ,出 现 了集 成 电 力 电 子 模 块
故障的机率越大, 装置的可靠性越低。 从寿命角度 出发 , 电容 、 电解 光耦合 器及排 风扇 等器件 的寿 命
开关电源的工作原理及技术趋势
开关电源的工作原理及技术趋势开关电源是一种将电能从一种形式转化为另一种形式的电源,主要应用于电子设备、通信设备、计算机以及其他电器设备中。
它的工作原理是通过不断开关电源输入电流的方式,来达到稳定输出电压的目的。
开关电源的主要组成部分包括输入电源、变压器、整流电路、滤波电路和输出电路。
输入电源将交流电转化为直流电,并提供给变压器,变压器将输入电压变成适合输出电压要求的电压。
整流电路将交流电转化为直流电,并通过滤波电路去除输出电压中的脉动成分,最后通过输出电路将稳定的直流电提供给电子设备。
开关电源的工作过程可以分为两个阶段。
在第一个阶段,开关管闭合,此时输入电流通过变压器转换为交流电压供应给负载。
在第二个阶段,开关管断开,此时输入电流停止,变压器储存的磁能通过二次电压的变化得到释放。
由于开关切换的频率非常高,一般在几万赫兹以上,因此开关电源具有体积小、效率高、重量轻等优点。
在技术趋势方面,开关电源的发展主要集中在以下几个方面:1. 高效率:随着能源稀缺和环境保护意识的增强,高效率的开关电源成为趋势。
新技术的应用,如无功功率补偿技术和深度睡眠模式的设计,可以大幅度提高开关电源的效率。
2. 小型化:随着电子设备的不断发展,对电源的体积要求越来越小。
开关电源需要不断减小体积,以适应市场需求。
3. 数字化:随着数字技术的普及和应用,开关电源也在向数字化方向发展。
数字化开关电源可以实现智能化控制和监测,提高电源的可调性和稳定性。
4. 高频化:目前开关电源的工作频率一般在几万赫兹到几百万赫兹之间,但未来的趋势是将工作频率提高到更高的水平。
高频化可以降低电容器和电感器的体积,提高电源的功率密度。
5. 多功能化:开关电源越来越注重多功能的设计,以满足不同应用场景的需求。
某些开关电源可以提供多个输出端口,以供多个设备同时使用。
开关电源在实际应用中具有广泛的用途,并且在不断发展和创新中逐渐趋于高效、小型、数字化、高频化和多功能化。
高频开关电源的技术现状与发展趋势 汪邦照
高频开关电源的技术现状与发展趋势汪邦照摘要:近年来,随着我国经济快速发展,社会各个行业对于高频开关的需求日益加大,尤其是随着环境的恶化,能源的枯竭,人们对于高效、节能减排的产品越来越重视,高频开关就是一种节能减排的新型产品,它与传统的电源比起来,可以节约原材料、减少占地面积,是现阶段电源行业的热门产品,高频开关电源是一种适应现代社会形势的一种开关电源,受到了人们的重视。
关键词:高频开关电源;技术现状与;发展趋势引言国家发展快速,推动着电子技术应用愈加广泛。
传统的电力电子技术对比较落后,已不能适应当今社会的快速发展,所以高频开关电源技术应运而生。
我国的科技发展离不开电源,电源的技术应用涉及到生活的方方面面。
电力电子技术会随着社会的不断进步而不断更新换代,如新能源汽车的出现对高频开关电力技术形成了巨大的推动力。
1开关电源的工作原理开关电源的工作原理如图1所示,从图中可以看出,在220V交流电压(AC)输入后,由于开关电源的电子元件无法在此电压条件下运行,所以需要在高频开关技术的帮助下,对220V端电压进行转换,从而为电子设备的工作提供稳定的工作电压。
另外,微型化已经成为变压器今后发展的主要方向,所以为了尽量缩减变压器的体积与重量,则必须要通过提升工作频率的方式来尽可能的提高电源功率密度,确保在微小体系情况下,开关电源仍然可以处于稳定工作的状态。
对于开关电源而言,其电源效率如果可维持在70%~90%之间,便可让开关电源处于正常工作的状态,并且脉冲宽度与电源效率的稳定程度有着直接联系,所以可根据实际情况来对脉冲宽度予以有针对性的调整,以此来提高电源效率的稳定性。
图1:开关电源原理方框图2高频开关电源的发展现状高频开关电源非常受欢迎,因为它使用方便。
需要说明的是,换式电源、开关变换器是高频开关电源的别称。
高频开关电源的主要作用是将确定输入的电压通过高频开关电源转换成自己需要的电源。
例如,可以购买高频开关电源,自由变换电压以满足需要。
要高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势
摘要:高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势,要做到这一点,必须提高磁元件的功率密度平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合,使得高频寄生参数大大降低,极大地改进了开关电源的工作状态,因此近年来得到了广泛的使用研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式,介绍了设计平面变压器的一个标准方法,从而使得设计过程变得更加简单,大大降低了设计成本.最后,比较了平面变压器和传统变压器的一些参数,并给出了设计方针.关键词:平面变压器;漏感;插入技术0 引言磁性元件的设计是开关电源的重要部分,因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势,因此近年来得到了广泛的应用.对于一个理想的变压器来说,初级线圈所产生的磁通都穿过次级线圈,即没有漏磁通.而对普通变压器来说,初级线圈所产生的磁通并非都穿过次级线圈,于是就产生了漏感,电磁耦合的紧密要求也无法满足.而平面变压器只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上.所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求.因此,平面变压器的特点就显而易见了:平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小;平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低,这使变换器做在一个板上的设想得到实现.但是,平面结构存在很高的容性效应等问题,大大限制了它的大规模使用,不过,这些缺点在某些应用中,也有可能转换为一种优点.另外,平面的磁芯结构增大了散热面积,有利于变压器散热.1 平面变压器的特性研究如前所述,平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗.绕组问的间隙越大意味着漏感越大,也就产生更高的能量损失.平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合,使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此能量损耗也就很小了.在平面型变压器里,其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊.扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗,也就是涡流损耗.因此,能最有效地利用铜导体的表面导电性能,效率要比传统变压器高得多.图1给出了一个平面变压器的剖面图,并且利用两层绕组间距离的不同,而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值.图2与图3给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化,可以明显地看出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小.在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了5倍之多.因此,在满足电气绝缘的情况下,应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值.然而,容性效应在平面变压器中是非常重要的,在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显.而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响,绝缘材料的介电常数越高,变压器的容性值越高.而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰.为了验证,笔者做了一个试验,在铜导线的间隙增加O.2mm的情况下,而电容值就减少了20%.因此,如果需要一个比较低的电容值,则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择.2 插入技术插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时,使原边绕组与副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合以减小漏感,同时使得电流平均分布,减小变压器损耗.现在插入技术的研究被分为两个方面,即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路).因此,插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究.2.1 应用于平面变压器的插入技术应用于变压器中的插入技术的主要优点如下:1)使变压器中磁性能量储存的空间减少,导致漏感的减少;2)使电流传输过程中在导体上理想分布,导致交流阻抗的减少;3)绕组间更好的耦合作用,导致更低的漏感.为了说明插入技术的特征,图4给出了应用3种不同插入技术的结构,P代表初级绕组,s代表次级绕组.试验显示SPSP结构是最好的,因为初级和次级的绕组都是间隔插人的.图5显示了在500 kHz时,3种结构的交流阻抗和漏感值,通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器,交流阻抗和漏感值都有了很大的减少.2.2 多绕组变压器中平面结构的优势平面变压器另一个重要的优点是高度很低,这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数.一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件,平面变压器很好地满足了这一要求.例如,在多绕组的变压器中需要非常多的匝数,如果是普通的变压器将会造成体积和高度过大,影响电源的整体设计,而平面变压器则不存在这一问题.另外,对于多绕组的变压器来说,绕组间保持很好的耦合非常重要.如果耦合不理想则漏感值增大,将会使得次级电压的误差增大.而平面变压器因为具有很好的耦合,使得它成为最佳的选择.2.3 在不同拓扑中平面变压器的作用在不同的拓扑中,磁性元件的作用也是不同的.在正激变换器中的变压器,磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中.然而,在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器,而是两个连接的电感器.在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量,而在关闭的时候将能量传送到次级绕组.因此,这种插入技术的优点同上面相比是不同的.应用于这种变压器的插入技术的特点如下:1)在磁芯中储存的能量没有减少,因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动,并且没有电流补偿;2)电流的分布并不理想,原因同上,因此交流阻抗也没有减小;3)插入使得绕组间产生较好的耦合,因此有比较小的漏感值.3 平面变压器的标准化设计平面变压器的优点如上所述,同样它也有缺点,其最主要的缺点就是设计的过程非常复杂,而且设计成本也非常高.下面介绍一种标准的设计平面变压器的程序步骤[3];它通过提供一个标准的匝数模型的设计,使之能够被使用于不同的平面变压器中,从而使得设计过程大大简化,费用大大降低.在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的,而且所有的层都保持着一样的物理特性:即相同的形状和相同的外部连接点.在有些多匝的层次中,这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点.如果有些层只有一匝,它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗.使用铜箔直接印制在PCB板上来替代传统的导线,即使在许多需要很多匝数的开关电源中,变压器依旧能保持一个很小的体积,这便大大减小了整机的体积.具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[3].图6显示了一个顶层的标准匝数设计的例子,它使用的是罐形(RM)磁芯.铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取,这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路,大大减少集肤效应的影响.因此,应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度.4 实验论证为了比较平面变压器和传统变压器,分别做了两种变压器的模型,一种使用平面结构并使用了插入技术,另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成.两种变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中.两个变压器的参数如下:初级12匝:次级两个l匝的绕组(1:1中心抽头).传统变压器使用漆包线作为绕组,虽然在这些线圈中电流密度不尽相同,选择电流密度小于7.5A/mm.平面变压器初级绕组做成4层,有4个并列的次级.这个变压器的最终结构如图7所示.两种变压器都使用了同样的磁芯RM10,比较了两种变压器的漏感,交流阻抗和占用的面积,结果列于表1.由表1可知,平面变压器的漏感仅为传统变压器的1/5,交流阻抗也仅为l/3,由此可见这将大大提高变换器的工作特性.而且,由于结构的更加紧凑,使得可以使用更小的RM8磁芯.5 结语平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点,并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件.给出了一种标准的设计平面变压器的方法,使得设计平面变压器变得更加容易,成本也将大大降低.可以预见,平面变压器将有着相当好的应用前景.。
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摘要:高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势,要做到这一点,必须提高磁元件的功率密度平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合,使得高频寄生参数大大降低,极大地改进了开关电源的工作状态,因此近年来得到了广泛的使用研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式,介绍了设计平面变压器的一个标准方法,从而使得设计过程变得更加简单,大大降低了设计成本.最后,比较了平面变压器和传统变压器的一些参数,并给出了设计方针.
关键词:平面变压器;漏感;插入技术
0 引言
磁性元件的设计是开关电源的重要部分,因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势,因此近年来得到了广泛的应用.对于一个理想的变压器来说,初级线圈所产生的磁通都穿过次级线圈,即没有漏磁通.而对普通变压器来说,初级线圈所产生的磁通并非都穿过次级线圈,于是就产生了漏感,电磁耦合的紧密要求也无法满足.而平面变压器只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上.所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求.因此,平面变压器的特点就显而易见了:平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小;平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低,这使变换器做在一个板上的设想得到实现.但是,平面结构存在很高的容性效应等问题,大大限制了它的大规模使用,不过,这些缺点在某些应用中,也有可能转换为一种优点.另外,平面的磁芯结构增大了散热面积,有利于变压器散热.
1 平面变压器的特性研究
如前所述,平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗.绕组问的间隙越大意味着漏感越大,也就产生更高的能量损失.平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合,使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此能量损耗也就很小了.
在平面型变压器里,其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊.扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗,也就是涡流损耗.因此,能最有效地利用铜导体的表面导电性能,效率要比传统变压器高得多.图1给出了一个平面变压器的剖面图,并且利用两层绕组间距离的不同,而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值.
图2与图3给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化,可以明显地看出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小.在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了5倍之多.因此,在满足电气绝缘的情况下,应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值.
然而,容性效应在平面变压器中是非常重要的,在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显.而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响,绝缘材料的介电常数越高,变压器的容性值越高.而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰.为了验证,笔者做了一个试验,在铜导线的间隙增加O.2mm的情况下,而电容值就减少了20%.因此,如果需要一个比较低的电容值,则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择.
2 插入技术
插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时,使原边绕组与副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合以减小漏感,同时使得电流平均分布,减小变压器损耗.
现在插入技术的研究被分为两个方面,即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路).因此,插入技术现在已
经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究.
2.1 应用于平面变压器的插入技术
应用于变压器中的插入技术的主要优点如下:
1)使变压器中磁性能量储存的空间减少,导致漏感的减少;
2)使电流传输过程中在导体上理想分布,导致交流阻抗的减少;
3)绕组间更好的耦合作用,导致更低的漏感.
为了说明插入技术的特征,图4给出了应用3种不同插入技术的结构,P代表初级绕组,s代表次级绕组.试验显示SPSP结构是最好的,因为初级和次级的绕组都是间隔插人的.图5显示了在500 kHz时,3种结构的交流阻抗和漏感值,通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器,交流阻抗和漏感值都有了很大的减少.
2.2 多绕组变压器中平面结构的优势
平面变压器另一个重要的优点是高度很低,这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数.一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件,平面变压器很好地满足了这一要求.例如,在多绕组的变压器中需要非常多的匝数,如果是普通的变压器将会造成体积和高度过大,
影响电源的整体设计,而平面变压器则不存在这一问题.
另外,对于多绕组的变压器来说,绕组间保持很好的耦合非常重要.如果耦合不理想则漏感值增大,将会使得次级电压的误差增大.而平面变压器因为具有很好的耦合,使得它成为最佳的选择.
2.3 在不同拓扑中平面变压器的作用
在不同的拓扑中,磁性元件的作用也是不同的.在正激变换器中的变压器,磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中.然而,在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器,而是两个连接的电感器.在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕
组储存能量,而在关闭的时候将能量传送到次级绕组.因此,这种插入技术的优点同上面相比是不同的.应用于这种变压器的插入技术的特点如下:
1)在磁芯中储存的能量没有减少,因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动,并且没有电流补偿;
2)电流的分布并不理想,原因同上,因此交流阻抗也没有减小;
3)插入使得绕组间产生较好的耦合,因此有比较小的漏感值.
3 平面变压器的标准化设计
平面变压器的优点如上所述,同样它也有缺点,其最主要的缺点就是设计的过程非常复杂,而且设计成本也非常高.
下面介绍一种标准的设计平面变压器的程序步骤[3];它通过提供一个标准的匝数模型的设计,使之能够被使用于不同的平面变压器中,从而使得设计过程大大简化,费用大大降低.
在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的,而且所有的层都保持着一样的物理特性:即相同的形状和相同的外部连接点.在有些多匝的层次中,这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点.如果有些层只有一匝,它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗.使用铜箔直接印制在PCB板上来替代传统的导线,即使在许多需要很多匝数的开关电源中,变压器依旧能保持一个很小的体积,这便大大减小了整机的体积.具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[3].图6显示了一个顶层的标准匝数设计的例子,它使用的是罐形(RM)磁芯.
铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取,这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路,大大减少集肤效应的影响.因此,应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度.
4 实验论证
为了比较平面变压器和传统变压器,分别做了两种变压器的模型,一种使用平面结构并使用了插入技术,另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成.两种变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中.两个变压器的参数如下:
初级12匝:
次级两个l匝的绕组(1:1中心抽头).
传统变压器使用漆包线作为绕组,虽然在这些线圈中电流密度不尽相同,选择电流密度小于7.5A/mm.
平面变压器初级绕组做成4层,有4个并列的次级.这个变压器的最终结构如图7所示.
两种变压器都使用了同样的磁芯RM10,比较了两种变压器的漏感,交流阻抗和占用的面积,结果列于表1.
由表1可知,平面变压器的漏感仅为传统变压器的1/5,交流阻抗也仅为l/3,由此可见这将大大提高变换器的工作特性.而且,由于结构的更加紧凑,使得可以使用更小的RM8磁芯.
5 结语
平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点,并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件.给出了一种标准的设计平面变压器的方法,使得设计平面变压器变得更加容易,成本也将大大降低.可以预见,平面变压器将有着相当好的应用前景.。