直流直流变流电路及变压器设计
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电力变压器 电源变压器 环形变压器
控制变压器
接触调压器
三相干式变压器
15
DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
简单的单相变压器：两个线圈没有电的 直接联系， 只有磁的耦合。 原绕组（一次侧或初级绕组）：接交流电 源的线圈， 匝数为N1, 相关参数下标用1. 副绕组（二次绕组或次级绕组）： 接到用 电设备上的线圈，其匝数为N2,相关参数下 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。
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
24
DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
变压器参数计算
（1）脉冲信号最大占空比Dmax
电网电压在220（1±15%）V范围内变化，对应于187V～ 253V。反电势嵌位160V。 经过整流滤波后输出直流电压
----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）使用绝缘材料的情况。
----绝缘等级
21
DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
耐热绝缘等级 最高工作温度(℃) Y A E B F H N C 90 105 120 130 155 180 200 220
如果输入电压不是正负对称的，原副边也存在磁耦合关系， 但要考虑几个问题：
（1）磁链、磁势、磁通、磁密、磁阻的关系； （2）偏磁问题； （3）磁饱和问题；
（4）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 路为例设计高频变压器。
20
DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
工作任务是： （1）确定变压器的铁芯型号、规格；
U p max 2U max U p max 2 253 360V
U p min 1.3U min
Dmax e 100% e U p min
U p min 1.3 187 240 V
Dmax 160 100% 40% 160 240
25
DCDC与变压器
图1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时c）电流断续时的波形
☞通常L大，电流连续且脉动小。
4
DCDC与变压器
1.1 降压斩波电路
◆基本的数量关系 ☞电流连续时
Uo t on t E on E E t on t off T
(1)
ton，toff分别为V通、断时间，T为开关周期，为导通占空比。 ■例1 在图所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω， L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计算输出电压平均 值Uo。 解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值 为
7
DCDC与变压器
2 带隔离的直流直流变流电路
2.1 正激电路
2.2 反激电路
2.3 开关电源
8
DCDC与变压器
2.1 正激电路
■正激电路(Forward)
◆工作过程 ☞开关S开通后，绕组W1电压为 上正下负，W2也是上正下负，故 VD1为通态，VD2为断态，电感L电
图 4 正激电路的原理图
流逐渐增长。
0
a)
iGE
io
I1
0
b)
(2) (3)
化简得 上式中的
Uo
t on t off t off
T E E t off
T / toff 1
图2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形
6
DCDC与变压器
1.2 升压斩波电路
☞设
t off T
，则 1
Uo 1
☞S关断后，电感L通过VD2续流， VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕 组和VD3流回电源，所以S关断后承 受的电压为
DCDC与变压器
S O uS Ui O iL
O iS O
图 5 正激电路的理想化波形
t
t
t t
9
N u S (1 1 )U i N3
2.1 正激电路
◆变压器的磁心复位 ☞开关S开通后，变压器激磁电流 增长，可导致变压器激磁电感饱和。 ☞必须设法使变压器的磁心复位。 ☞复位时间
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。
22
DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
高频变压器的参数值往往要经过多次调整。
U o N 2 ton Ui N1 toff
(7)
图 7 反激电路原理图
S O uS Ui
ton
toff
t
t
O iS
iVD O
图8 反激电路的理想化波形
☞为了防止关断时开关S的电压过高， 也需要嵌位，该嵌位电压与输出电压的比 Uo 值等于匝数比，有其它电路形式。
DCDC与变压器
O
t t
11
B
BS
t rst
◆输出电压
N3 t on N1
(5)
U o N 2 t on Ui N1 T
BR O
图 6 磁心复位过程
(6)
H
☞输出电感电流不连续时，在 负载为零的极限情况下
Uo N2 Ui N1
10
DCDC与变压器
2.2 反激电路
■反激电路 ◆工作过程 ☞S开通，W1电流增长，电感储能。 ☞S关断，能量通过W2绕组和VD向输 N1 出端释放，电压为 uS U i Uo ◆工作模式 N2 ☞当S开通，W2绕组的电流尚未下降 到零，为电流连续模式。
DCDC与变压器
i1
e2
i2
17
3.1 变压器工作原理
E ~ i1
e2
i2
U1
I1
I1 N1
1
e1
e1
e2
U2
I2
I2 N2
2
e2
18
DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
一次侧主电势 e1 N 1 d
dt
设 m sin t 即
直流--直流变流电路及高频变压器设计
题目1：制作一个5V/3A的直流电源，已知输入交流220V，电
网波动 ±15%，要求：效率70%以上。
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 ±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PWM
E1 E1m 2 1 2 N1m 2fN1m 4.44 fN1m
E2
E1
相量表示： E1 j 4.44 fN1
二次侧电势
DCDC与变压器
E 2 j 4.44 fN 2
感应电势时间 上滞后于磁通90度
19
3.1 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 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，可以推导出系数为4。
高频电源变压器的设计程序：
磁芯材料， 磁芯结构， 磁芯参数， 线圈参数， 组装结构等内容。
23
DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
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、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：
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。
2
DCDC与变压器
直流--直流变流电路及高频变压器设计
1 基本斩波电路 1.1 降压斩波电路 1.2 升压斩波电路 2 带隔离的直流直流变流电路
2.1 正激电路
2.2 反激电路 3 高频变压器设计 3.1 变压器工作原理（一般） 3.2 高频变压器设计（反激）
m 0 m—铁心中磁通最大值 E
d e1 N 1 ( m sin t ) N1m cos t dt
N1m sin(t 90) E1m sin(t 90)
i1 ~
e2
i2
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 律变化， 但相位比主磁通落后900。一次绕组内感应电势的有效值
d ; dt d u 2 e2 N 2 dt u1 e1 N1
DCDC与变压器
变压器原、副边电势之比 等于原、副边匝数之比。
16
3.1 变压器工作原理
几个概念： 空载电流—二次侧开路时的 E 一次侧电流． ~ 主磁通Ф －同时与一次侧和 二次侧绕组匝链的磁通，经 过铁芯（磁阻较小,非线性,大 部分）闭合 漏磁通－经过空气（磁阻较 大,线性）闭合，小部分 一次侧漏磁通Ф １σ－仅与一 次侧绕组匝链的磁通． 二次侧漏磁通Ф ２σ －仅与 一次侧绕组匝链的磁通
4 总结
3
DCDC与变压器
1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper） ◆电路分析 ☞使用一个全控型器件V。 ☞续流二极管VD，续流用。 ☞主要用于电源或反电动势等。
◆工作原理 ☞ t=0时V导通，uo=E，io上升。 ☞ t=t1时控制V关断，二极管VD续 流，uo近似为零，电流下降。
2 PO IP U p min Dmax
Ip
DCDC与变压器
2 31.3 0.869 A 0.75 240 0.4
26
3.2 高频变压器设计
高频变压器初级线圈的电感量L1由下式确定
L1 U p min Dmax fI p
L1 240 0.4 1.227mH 3 0.869 90 10
式（5-21）可表示为 分母小于1，升压。
E
1 E 1
(4)
■例2 在图所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极 大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s 时，计算输出电压平均值Uo。 解：输出电压平均值为：
Uo T 40 E 50 133.3(V ) t off 40 25
电力变压器（升压、降压、配电） 特种变压器（电炉、整流） 按用途 仪用互感器（电压、电流互感 器、脉冲变压器，阻抗匹配变 压器） 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。 按频率分为低频、中频、高频变压器，工频的称为工频变压 器。 14
DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
小结
正激电路 反激电路
半桥电路(--)
全桥电路(--)
推挽电路(--)
全波整流和全桥整流(--)
Hale Waihona Puke Baidu开关电源
上述都涉及到变压器
13
DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
变压器是一种静止的电气设备， 根据电磁感应原理，将一 种形态（电压、电流、相数）的交流电能， 转换成另一种 形态的交流电能。
2.3 开关电源
■如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交—
直—交—直电路，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工作频率较高的交流环节，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
相控整流电源。
■工作频率的提高还有利于控制性能的提高。
12
DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
最大开通时间和电压变化系数
Ton max T Dmax
Dmin Dmax (1 Dmax )k v Dmax
kv
U p max U p min
0.4 0.307 (1 0.4) 1.5 0.4
Dmin
(2) 初级线圈的电感量L1 输出总功率： P=U*I
Uo ton 20 200 E 80(V ) T 50
5
DCDC与变压器
1.2 升压斩波电路
■升压斩波电路
◆工作原理 ☞假设L和C值很大。 ☞ V通态，L蓄能，C较大Uo基本恒定。 V断态，向C充电，并向负载供能。 ◆基本的数量关系 ☞稳态时，L积蓄与释放的能量相等
EI1t on U o E I1t off
控制、高频变压器，再整流输出。
在开关电源中包含直流--直流变流电路及高频变压器，都是 重要的部分。
DCDC与变压器
直流--直流变流电路及高频变压器设计
题目1：制作一个5V/3A的直流电源，已知输入交流10V，电网
波动 ±15%，要求：效率70%以上；（2）交流侧的电流谐波
小（正弦）。 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。
控制变压器
接触调压器
三相干式变压器
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DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
简单的单相变压器：两个线圈没有电的 直接联系， 只有磁的耦合。 原绕组（一次侧或初级绕组）：接交流电 源的线圈， 匝数为N1, 相关参数下标用1. 副绕组（二次绕组或次级绕组）： 接到用 电设备上的线圈，其匝数为N2,相关参数下 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。
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
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DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
变压器参数计算
（1）脉冲信号最大占空比Dmax
电网电压在220（1±15%）V范围内变化，对应于187V～ 253V。反电势嵌位160V。 经过整流滤波后输出直流电压
----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）使用绝缘材料的情况。
----绝缘等级
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DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
耐热绝缘等级 最高工作温度(℃) Y A E B F H N C 90 105 120 130 155 180 200 220
如果输入电压不是正负对称的，原副边也存在磁耦合关系， 但要考虑几个问题：
（1）磁链、磁势、磁通、磁密、磁阻的关系； （2）偏磁问题； （3）磁饱和问题；
（4）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 路为例设计高频变压器。
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DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
工作任务是： （1）确定变压器的铁芯型号、规格；
U p max 2U max U p max 2 253 360V
U p min 1.3U min
Dmax e 100% e U p min
U p min 1.3 187 240 V
Dmax 160 100% 40% 160 240
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DCDC与变压器
图1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时c）电流断续时的波形
☞通常L大，电流连续且脉动小。
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DCDC与变压器
1.1 降压斩波电路
◆基本的数量关系 ☞电流连续时
Uo t on t E on E E t on t off T
(1)
ton，toff分别为V通、断时间，T为开关周期，为导通占空比。 ■例1 在图所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω， L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计算输出电压平均 值Uo。 解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值 为
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DCDC与变压器
2 带隔离的直流直流变流电路
2.1 正激电路
2.2 反激电路
2.3 开关电源
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DCDC与变压器
2.1 正激电路
■正激电路(Forward)
◆工作过程 ☞开关S开通后，绕组W1电压为 上正下负，W2也是上正下负，故 VD1为通态，VD2为断态，电感L电
图 4 正激电路的原理图
流逐渐增长。
0
a)
iGE
io
I1
0
b)
(2) (3)
化简得 上式中的
Uo
t on t off t off
T E E t off
T / toff 1
图2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形
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DCDC与变压器
1.2 升压斩波电路
☞设
t off T
，则 1
Uo 1
☞S关断后，电感L通过VD2续流， VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕 组和VD3流回电源，所以S关断后承 受的电压为
DCDC与变压器
S O uS Ui O iL
O iS O
图 5 正激电路的理想化波形
t
t
t t
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N u S (1 1 )U i N3
2.1 正激电路
◆变压器的磁心复位 ☞开关S开通后，变压器激磁电流 增长，可导致变压器激磁电感饱和。 ☞必须设法使变压器的磁心复位。 ☞复位时间
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。
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DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
高频变压器的参数值往往要经过多次调整。
U o N 2 ton Ui N1 toff
(7)
图 7 反激电路原理图
S O uS Ui
ton
toff
t
t
O iS
iVD O
图8 反激电路的理想化波形
☞为了防止关断时开关S的电压过高， 也需要嵌位，该嵌位电压与输出电压的比 Uo 值等于匝数比，有其它电路形式。
DCDC与变压器
O
t t
11
B
BS
t rst
◆输出电压
N3 t on N1
(5)
U o N 2 t on Ui N1 T
BR O
图 6 磁心复位过程
(6)
H
☞输出电感电流不连续时，在 负载为零的极限情况下
Uo N2 Ui N1
10
DCDC与变压器
2.2 反激电路
■反激电路 ◆工作过程 ☞S开通，W1电流增长，电感储能。 ☞S关断，能量通过W2绕组和VD向输 N1 出端释放，电压为 uS U i Uo ◆工作模式 N2 ☞当S开通，W2绕组的电流尚未下降 到零，为电流连续模式。
DCDC与变压器
i1
e2
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3.1 变压器工作原理
E ~ i1
e2
i2
U1
I1
I1 N1
1
e1
e1
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U2
I2
I2 N2
2
e2
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DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
一次侧主电势 e1 N 1 d
dt
设 m sin t 即
直流--直流变流电路及高频变压器设计
题目1：制作一个5V/3A的直流电源，已知输入交流220V，电
网波动 ±15%，要求：效率70%以上。
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 ±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PWM
E1 E1m 2 1 2 N1m 2fN1m 4.44 fN1m
E2
E1
相量表示： E1 j 4.44 fN1
二次侧电势
DCDC与变压器
E 2 j 4.44 fN 2
感应电势时间 上滞后于磁通90度
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3.1 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 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，可以推导出系数为4。
高频电源变压器的设计程序：
磁芯材料， 磁芯结构， 磁芯参数， 线圈参数， 组装结构等内容。
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DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
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、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：
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。
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DCDC与变压器
直流--直流变流电路及高频变压器设计
1 基本斩波电路 1.1 降压斩波电路 1.2 升压斩波电路 2 带隔离的直流直流变流电路
2.1 正激电路
2.2 反激电路 3 高频变压器设计 3.1 变压器工作原理（一般） 3.2 高频变压器设计（反激）
m 0 m—铁心中磁通最大值 E
d e1 N 1 ( m sin t ) N1m cos t dt
N1m sin(t 90) E1m sin(t 90)
i1 ~
e2
i2
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 律变化， 但相位比主磁通落后900。一次绕组内感应电势的有效值
d ; dt d u 2 e2 N 2 dt u1 e1 N1
DCDC与变压器
变压器原、副边电势之比 等于原、副边匝数之比。
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3.1 变压器工作原理
几个概念： 空载电流—二次侧开路时的 E 一次侧电流． ~ 主磁通Ф －同时与一次侧和 二次侧绕组匝链的磁通，经 过铁芯（磁阻较小,非线性,大 部分）闭合 漏磁通－经过空气（磁阻较 大,线性）闭合，小部分 一次侧漏磁通Ф １σ－仅与一 次侧绕组匝链的磁通． 二次侧漏磁通Ф ２σ －仅与 一次侧绕组匝链的磁通
4 总结
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DCDC与变压器
1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper） ◆电路分析 ☞使用一个全控型器件V。 ☞续流二极管VD，续流用。 ☞主要用于电源或反电动势等。
◆工作原理 ☞ t=0时V导通，uo=E，io上升。 ☞ t=t1时控制V关断，二极管VD续 流，uo近似为零，电流下降。
2 PO IP U p min Dmax
Ip
DCDC与变压器
2 31.3 0.869 A 0.75 240 0.4
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3.2 高频变压器设计
高频变压器初级线圈的电感量L1由下式确定
L1 U p min Dmax fI p
L1 240 0.4 1.227mH 3 0.869 90 10
式（5-21）可表示为 分母小于1，升压。
E
1 E 1
(4)
■例2 在图所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极 大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s 时，计算输出电压平均值Uo。 解：输出电压平均值为：
Uo T 40 E 50 133.3(V ) t off 40 25
电力变压器（升压、降压、配电） 特种变压器（电炉、整流） 按用途 仪用互感器（电压、电流互感 器、脉冲变压器，阻抗匹配变 压器） 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。 按频率分为低频、中频、高频变压器，工频的称为工频变压 器。 14
DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
小结
正激电路 反激电路
半桥电路(--)
全桥电路(--)
推挽电路(--)
全波整流和全桥整流(--)
Hale Waihona Puke Baidu开关电源
上述都涉及到变压器
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DCDC与变压器
3.1 变压器工作原理
变压器是一种静止的电气设备， 根据电磁感应原理，将一 种形态（电压、电流、相数）的交流电能， 转换成另一种 形态的交流电能。
2.3 开关电源
■如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交—
直—交—直电路，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工作频率较高的交流环节，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
相控整流电源。
■工作频率的提高还有利于控制性能的提高。
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DCDC与变压器
3.2 高频变压器设计
最大开通时间和电压变化系数
Ton max T Dmax
Dmin Dmax (1 Dmax )k v Dmax
kv
U p max U p min
0.4 0.307 (1 0.4) 1.5 0.4
Dmin
(2) 初级线圈的电感量L1 输出总功率： P=U*I
Uo ton 20 200 E 80(V ) T 50
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DCDC与变压器
1.2 升压斩波电路
■升压斩波电路
◆工作原理 ☞假设L和C值很大。 ☞ V通态，L蓄能，C较大Uo基本恒定。 V断态，向C充电，并向负载供能。 ◆基本的数量关系 ☞稳态时，L积蓄与释放的能量相等
EI1t on U o E I1t off
控制、高频变压器，再整流输出。
在开关电源中包含直流--直流变流电路及高频变压器，都是 重要的部分。
DCDC与变压器
直流--直流变流电路及高频变压器设计
题目1：制作一个5V/3A的直流电源，已知输入交流10V，电网
波动 ±15%，要求：效率70%以上；（2）交流侧的电流谐波
小（正弦）。 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。