直流变压器设计

LLC谐振型软开关直流变压器的研究与实现陈申;吕征宇;姚玮【摘要】直流变换器分为输出稳压的直流变换器和输出电压不调节的直流变压器两种基本类型。

LLC谐振变换器是一种实用的软开关直流变换器,研究的重点集中在输出稳压形式——输出稳压的LLC谐振变换器。

通过对LLC谐振型直流变压器的增益特性曲线的分析,提出了LLC谐振型软开关直流变压器的设计方法,并完成了对优化设计具有指导意义的直流变压器的增益和效率的负载特性分析。

最后,研制了一台LLC谐振型直流变压器样机,实验结果表明了设计方法和负载特性分析的有效性和准确性。

%DC-DC converter has two basic types,including the regulated DC-DC converter and the unregulated DC-DC transformer.LLC resonant converter is a kind of practical soft-switching DC-DC converter,with the research focusing on the regulated form named regulated LLC resonant DC-DC converter.In order to increase the practical topology of soft-switching and high-efficiency DC-DC transformer,the unregulated form of LLC resonant DC-DC converter named LLC resonant DC-DC transformer is studied in this paper.The design method is proposed by the gain curve analyze of LLC resonant DC-DC transformer,and the load characteristics of gain and efficiency of the DC-DC transformer is analyzed specializing for optimal design.Finally,a LLC resonant DC-DC transformer protype is designed and bulit up.The experimental results verify the correctness and validity of this design method and the load characteristics analysis.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2012(027)010【总页数】7页(P163-169)【关键词】LLC谐振变换器;软开关;直流变压器;负载特性【作者】陈申;吕征宇;姚玮【作者单位】浙江大学电力电子国家专业实验室,杭州310027;浙江大学电力电子国家专业实验室,杭州310027;浙江大学电力电子国家专业实验室,杭州310027 浙江水利水电专科学校电气工程系,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TM461 引言直流变换器分为输出稳压的直流变换器和输出电压不调节的直流变压器两种基本类型[1-6]，它们在新能源领域，燃料电池、光伏阵列及超级电容等功率源输出的低压直流母线需经过一级隔离升压功率变换环节以得到符合逆变器工作要求等级的直流母线。

图1 稳压电源工作流程图2.2 可调直流稳压电源的工作原理方框图直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、消振、稳压、保护、可调七个环节来完成的〔如图2所示〕。

图2可调直流稳压电源方框图(1)电源变压器。

电源变压器，是降压变压器，它将市电220V交流电压变换成符合需要的较低的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定〔如图3所示〕。

图3 电源变压器(2)整流电路。

整流电路是利用二极管的单向导电性，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电，它由VD1，VD2，VD3，VD4构成单相全波整流电路，电路如图4所示。

在u2的正半周内，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止；u2的负半周内，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。

正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的，电路的输出波形如图5所示。

图4 整流电路图 图5 整流波形图 在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 。

电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (U2是变压器副边电压有效值)。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以到达使输出波形根本平滑的目的。

选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo=0.9U2，直流输出电流：Io=0.92L U R 〔Io 是变压器副边电流的有效值〕。

(3)滤波电路。

滤波电路它可以将整流电路输出电压中的交流成分大局部加以滤除，从而得到比拟平滑的直流电压，它由1C 等外围元器件构成。

(4) 稳压电路。

三端可调稳压器LM317:三端可调稳压器因具有稳定度高、适应性强、使用方便的优点，得到广泛应用。

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化,其主要由三段集成稳压块LM317组成〔如图6所示〕。

IPK=2*变压器输出功率/(变压器效率*最低输入直流电压*最大占空比)
LP=(最低输入电压*最大开通时间)/峰值电流,
NP=(初级电感量*初级电流峰值)/(磁芯截面积*工作磁通)
N=(最低输入电压*最大占空比)/(输出电压+整流二极管正向电压降)/(1-最大占空比)，Don(最大导通时间)=周期*最大占空比
①Don(最大导通时间)=周期*最大占空比（0.45）
②IPK=2*变压器输出功率/(变压器效率*最低输入直流电压*最大占空比)
③LP=(最低输入电压*最大开通时间)/峰值电流,
④NP=(初级电感量*初级电流峰值)/(磁芯截面积*工作磁通)
⑤N=(最低输入电压*最大占空比)/(输出电压+整流二极管正向电压降)/(1-最大占空比)，
⑥二极管反射电压Vor=(输出电压+整流二极管正向压降)*N。

12V直流稳压电源设计一、设计要求：1.输出电压：12V（直流）2.输出电流：可调整范围为0-2A3.稳压精度：小于2%4.输入电压范围：220VAC5.效率：大于80%二、设计思路：为了满足上述设计要求，可以采用变压器、整流滤波、稳压电路等组成的基本电源设计结构。

1.变压器：根据输入电压要求为220VAC，通过变压器降压为12VAC，变压器的绕组比例为220/12=18.3:12.整流滤波：将变压器输出的12VAC信号通过桥式整流电路进行整流，然后经过滤波电路，将波形平滑为直流信号。

3.稳压电路：为了实现稳压功能，可以选择使用LM7805稳压芯片。

4.输出电流调节：在稳压电路之后，可以连接电流限制电路，以便根据需要调整输出电流。

5.效率提高：为了提高效率，可以使用MOS管进行电流调节，并配备恰当的负载驱动电路。

三、具体设计步骤：1.计算变压器比例：根据输入电压为220VAC，输出电压为12VAC，通过变压器降压的比例为220/12=18.3:1、因此，可以选择变压器的绕组比例为18.3:12.整流电路设计：将变压器输出的12VAC信号通过桥式整流电路进行整流。

桥式整流电路一般采用四个二极管组成，可以将交流信号转换为单向的脉动直流信号。

整流后的电压峰值为12VAC*1.414=16.97V。

3.滤波电路设计：通过添加电容器，将整流后的脉动直流信号进行平滑处理，得到更接近直流信号。

根据输出电流的需求，选择合适的电容器容值，一般可以选择1000uF的电容器。

4.稳压电路设计：连接稳压芯片LM7805，将整流滤波后的信号稳定在12V。

为了提高稳压精度，可以在输入端添加滤波电容器和稳压电容器。

5.电流限制电路设计：根据需要调整输出电流，可以选择合适的限流电阻。

6.提高效率：通过使用MOS管进行电流调节，并配备恰当的负载驱动电路，可以提高效率。

四、安全考虑：1.输入电压：在设计电路时，应确保输入电路采用适当的隔离方式，以确保操作的安全性。

毕业设计(LLC变压器部分)一．变压器设计计算1.输入输出参数输入电压：400VDC（PFC输出电压）输出电压：55VDC输出电流：10A开关频率：70KHz2.变压器设计计算1）变压器磁芯选择变压器尺寸选择要满足在工作频率想，温升在允许范围内、输出功率的要求。

选择磁芯使用AP（面积乘积）计算方法，设原边匝数Np，副边Ns，Np匝上以电压V1工作时，根据法拉第定律：V1=Kf*fs*Np*Bw*Ae式中fs---开关工作频率（Hz）Bw---工作磁通密度（T）Ae---磁芯有效面积（m2）Kf---波形系数，有效值与平均值之比，方波时为4 整理得：N P=V1/K f f s B W A e铁芯窗口面积Aw乘上使用系数K0为有效面积，该面积为原边绕组N P占据的窗口面积N P Ap，与副边绕组Ns占据的窗口面积NsAs，之和，即K0A W= N P Ap，+ NsAs，式中K0---窗口使用系数（K0小于1）；Ap，---原边绕组每匝所占用面积；Aw---铁芯窗口面积；As，---副边绕组每匝所占用面积。

每匝所占用面积与流过该匝的电流值Ⅰ和电流密度J有关，如下式所示：Ap，=Ⅰ1/JAs，=Ⅰ2/J根据上面整理得：K0 Aw= V1/K f f s B W A e*(Ⅰ1/J)+ V2/K f f s B W A e*(Ⅰ2/J)即 A w A e=(V1Ⅰ1+ V2Ⅰ1)/ K0 K f f s B W J （表达式1）A w A e 即变压器窗口面积和铁芯截面的乘积。

V1Ⅰ1+ V2Ⅰ1为原边和副边功率。

上式表明工作磁密Bw、开关工作频率f s、窗口面积使用系数K0、波形系数K f和电流密度J都影响到面积的乘积。

电流密度直接影响到变压器的温升，亦影响到A w A e，可表示为：J=K j(A w A e)X A式中K j---电流密度比例系数；X---常数，由所用磁芯决定。

上面的表达式1又可表示为： A w A e=P T/ K0 K f f s B W K j(A w A e)X整理得：AP=（P T104/ K0 K f f s B W K j）1/1+X式中 AP---为Aw和Ae两面积的乘积（cm4）P T---为V1Ⅰ1+ V2Ⅰ1变压器的视在功率（W）;Bw---工作磁通密度（T）;fs---开关工作频率（Hz）从上式说明，磁芯的选择就是选择一合适的AP值，使它输送功率P T时，铜损和铁损引起的温升在温升之内。

可调直流稳压电源设计一、可调直流稳压电源设计原理1.变压器：变压器主要用于将交流电源转化为所需的低压直流电源。

变压器通过绝缘和耦合来改变交流电压的比例。

在设计变压器时，需要考虑到输出电流和输入电压的比例关系，以及变压器的容量和效率等因素。

2.整流电路：整流电路用于将交流电源转化为直流电源。

一般情况下，整流电路采用整流二极管桥的形式，将交流电源的正负半周分别导通，以获得经过正弦波滤波后的直流电压。

3.稳压电路：稳压电路用于调节输出直流电压的波动范围，确保电压的稳定性。

常见的稳压电路有线性稳压电路和开关稳压电路。

线性稳压电路通过调节电流流过稳流二极管或控制晶体管的导通状态来实现电压稳定。

开关稳压电路采用开关元件和反馈控制电路来实现电压的调节和稳定。

二、可调直流稳压电源设计步骤1.确定输出电压范围和电流要求：根据实际需求确定需要设计的可调直流稳压电源的输出电压范围和最大输出电流。

2.计算变压器参数：根据输出电压和电流的要求计算需要的变压器参数，包括变比、容量和效率等。

变压器的容量要能满足最大输出电流的需求，效率要尽可能高以减少功耗。

3.设计整流电路：根据变压器输出的交流电压设计整流电路。

一般情况下，采用整流二极管桥来实现整流，同时需要添加滤波电容来平滑输出直流电压。

4.设计稳压电路：根据输出电压的波动要求选择合适的稳压电路。

线性稳压电路成本较低，但功耗较大；开关稳压电路成本较高，但效率较高。

选择适当的稳压电路后根据所选方案进行具体电路设计。

5.进行实际电路布局和PCB设计：根据设计的稳压电路进行实际电路布局和PCB设计。

电路布局要合理，考虑到电子元件之间的距离、优化导线布局以减少杂散电磁干扰等。

6.进行电路测试和调试：完成电路布局和PCB设计后，进行电路测试和调试。

通过实际测试，验证设计的稳压电路的可开关稳定性和稳压性能。

7.验证电源性能：通过测试，对设计的可调直流稳压电源进行性能验证，包括输出电压的稳定性、负载能力、纹波等。

4.4设计项目4.4.1集成直流稳压电源的设计一、实验目的通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：(1)选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；(2)掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

二、设计任务1.集成稳压电源的主要技术指标(1)同时输出±1.5,电压、输出电流为2A。

(2)输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5X103；输出内阻小于0.1Q(3)加输出保护电路，最大输出电流不超过2A。

2.设计要求(1)电源变压器只做理论设计。

(2)合理选择集成稳压器及扩流二极管。

(3)保护电路拟采用限流型。

(4)完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图，自制印刷板。

(5)撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。

三、基本原理1.直流稳压电源的基本原理直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成，基本框图如图4.5所示。

各部分电路的作用如下：220V图4.5直流稳压电源基本组成框图(1)电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压"1。

变压器副边与原边的功率比为P P =门2' 1式中，n为变压器的效率。

（2）整流滤波电路整流电路将交流电压"1变换成脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压U1。

常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图 4.6（a）、（b）及（c）所示。

（a）全波整流电容滤波电路（b）桥式整流电容滤波电路（c）二倍压整流滤波电路图4.6几种常见整流滤波电路各滤波电容C满足：R1C =（3 〜5 ） ?式中T为输入交流信号周期；R L为整流滤波电路的等效负载电阻。

I（3）三端集成稳压器常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。

①固定三端集成稳压器正压系列：78XX系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。

±800kV直流换流变压器一、产品简介特高压直流输电建设已成为国家的一项重大技术装备政策，随着我国电力事业的发展，我国高压直流输电线路电压等级已经从±500kV全面迈向±800kV等级。

目前国家电网公司和南方电网公司已经先后完成并投运三个±800kV项目，工程额定输送容量从最初南网公司云广项目的5000 MW 、国网公司向上项目的6400 MW、发展到国网公司锦屏项目的7200 MW，两个±800kV项目正在建设，南网公司输送容量糯扎渡仍为5000 MW，国网公司哈郑项目已经发展到8000MW，为目前世界上该电压等级最高直流输电项目中，输送容量最大的直流项目。

云南至广东直流输电工程的发送端位于云南省楚雄换流站，接受端位于广东省穗东换流站，直流输电距离约为1418公里。

额定直流运行电压为±800kV，额定直流电流为3125A，输送容量5000MW。

云广直流工程采用双十二脉动阀组串联接线。

换流变压器电气接线如图1所示。

与每个12 脉动桥相连的有6 台换流变压器，其中3台换流变压器的阀侧绕组应为星形连接，另外3台采用三角形连接。

从高压端到低压端的换流变压器阀侧绕组连接方式依次为星形接线－三角形接线－星形接线－三角形接线。

图1 换流变压器电气接线示意图图2 ±800kV直流换流变压器其中Y H、D H表示高端换流变，Y L、D L表示低端换流变。

二、技术介绍（一）产品技术特点与±500kV直流输电比较，更加节能、环保、高效，建设成本降低。

1) ±800kV直流输电与两个±500kV直流输电比较：a、换流站投资少，总体损耗小。

b、输电线路走廊窄，占地面积小。

c、输电线路造价低, 输电用电缆少一半。

±800kV输电线路及换流变压器与两个±500kV输电线路及换流变压器对比如下表：2）±800kV直流换流变压器产品采用全密封结构，变压器油无渗漏的特点，对环境无污染，符合国家环保政策的要求。

高压直流变压器原理高压直流变压器是一种用于将直流电压转换为交流电压的设备。

它主要包含以下几个方面的原理：一、电磁学原理高压直流变压器的工作原理基于电磁学原理。

当电流通过初级线圈时，会产生磁场，该磁场通过磁芯结构传递到次级线圈。

在次级线圈中，磁场会产生感应电动势，从而产生次级电流。

通过调整初级和次级线圈的匝数比，可以实现电压的升高或降低。

二、电子元件高压直流变压器通常包含一些电子元件，如整流器、滤波器、开关管等。

整流器用于将交流电源转换为直流电源，滤波器用于平滑输出电压，开关管用于控制输出电压的幅度和频率。

这些电子元件的选择和使用对于变压器的性能和稳定性至关重要。

三、磁芯结构磁芯结构是高压直流变压器的重要组成部分。

它通常由铁氧体、硅钢等磁性材料制成。

磁芯的作用是提高磁场的集中度和传递效率，减少能量损失。

磁芯的形状、尺寸和材料的选择对于变压器的性能和效率有重要影响。

四、绝缘设计由于高压直流变压器的工作电压较高，因此绝缘设计至关重要。

变压器中的初级和次级线圈之间需要采用绝缘材料进行隔离，以防止电流泄漏和短路。

此外，变压器还需要采用适当的绝缘结构，以确保其可靠性和安全性。

五、温度控制高压直流变压器在工作时会产生热量，如果热量控制不当，可能会对变压器的性能和寿命产生影响。

因此，温度控制是高压直流变压器设计的重要环节。

可以通过散热片、风扇等散热装置来降低变压器的温度，确保其稳定运行。

综上所述，高压直流变压器的工作原理涉及多个方面，包括电磁学原理、电子元件、磁芯结构、绝缘设计和温度控制等。

在设计高压直流变压器时，需要综合考虑这些因素，以确保其性能和稳定性。