導語：如何才能寫好一篇開關電源變壓器，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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【關鍵詞】高頻 開關電源 變壓器 優化設計 應用

電源變壓器具備的主要功能是隔離絕緣、傳送功率以及變換電壓。電源變壓器是一種主要軟磁電磁元件，被廣泛運用于電力電子技術和電源技術中。開關電源變壓器是開關電源的核心部件，能夠轉換和傳輸能量。此外，在開關電源變壓器的開關電源中，主要的體積與重量占有者，也是發熱源，可以使得開關電源向小型輕量方向發展，并且實現平面智能等目標。因此，開關電源的高頻化是重中之重。

1 高頻開關電源變壓器的主要構成以及分類

通常從廣義角度而言，凡是將半導體功率的開關器件作為開關管，經對開關管，進行高頻開通，或者是進行關斷控制，均會促使電能形態向其他電能形態裝置轉化，即開關轉換器。開關電源是指將開關轉換器作為主要組成部件，通過采取閉環自動控制的方式，實現輸出電壓保持穩定的目標，并且實現在電路中增加保護環節電源。高頻開關電源是指采用高頻DC/DC轉換器，作為開關電源工作狀態下的開關轉換器。

高頻開關電源的基本路線主要是由開關型功率變換器，整流濾波電路，交流直線轉換電路及控制電路幾部分組成。高頻開關電源變壓器分為他激式和自激式、隔離式和非隔離式、硬開關以及軟開關幾類。

2 高頻開關電源變壓器的優化設計

2.1 設計參數選取

高頻變壓器的設計參數彼此聯系，所以，在具體設計時，針對各個參數應該在合理范圍內進行有效折中。基于各類應用場景應當首，首先符合占支配地位的重要影因素，其次權衡剩余其他參數帶來的影響。因為各參數間緊密聯系，在設計時，想把一切參數均達到最佳基本上不太可能。如變壓器體積和效率二者之間存在的矛盾，漏感合分布電容二者難以同時減小。所以，在高頻開關電源變壓器優化設計的整個過程中，本文選取了三個相對比較重要的參數，以此展開分析。

2.1.1 溫升

在變壓器具體工作的整個過程中，鐵芯和繞組中的損耗必定會產生一定熱量，從而促使變壓器溫度逐漸升高，與此同時，這些熱量通常會采取輻射和對流的方法，在周圍環境中相互傳遞。因此，應該有效控制溫升，進而以防繞組被燒，或者是防止變壓器熱擊穿、防止磁芯性能下降的現象出現。并且，在計算變壓器的溫升時，通常是會將磁芯和繞組的損耗歸在，假設熱量經過磁芯與繞組后，整個表面積會發生均勻消散的現象。

2.1.2 分布參數

高頻變壓器的主要分布參數通常是漏感、分布電容。在高頻下，分布參數對開關電源性能會產生關鍵影響。在開關式的變換器上，漏感可以致使電壓尖峰，此時電路中的部分器件會受此影響，發生不必要的破壞。同時，分布電容可能會引起電流尖峰，且可以大幅度延長充電時間，從而開關和二極管會受此影響，發生大規模損耗，進而降低變壓器效率及可靠性。因此，在這樣的工作模式種，需要盡量降低變壓器的分布參數。此外，對于諧振式的變換器而言，能夠吸收、利用變壓器分布參數。所以在這種模式下，要求必須準確設計分布電容和漏感的值。

2.1.3 損耗與效率

本文將輸入功率和輸出功率二者的差視為變壓器功率損耗值，并且，將其分成兩個分量，即繞組損耗和磁芯損耗。通常，在額定電壓運行的條件下，隨著負載電流的不斷變化，鐵損不會發生變化，所以鐵損也被稱作是不變損耗。如果忽視勵磁電流，銅損和負載電流的平方成正比，所以銅損也被稱作是可變損耗。筆者對變壓器分別進行了兩項實驗，即短路試驗實驗和空載實驗，在額定電壓下，分別測得鐵損耗和額定負載下銅損耗，結果得出鐵損在正常工作時依舊保持不變，而隨著負載的變化，銅損會發生一系列變化。

2.2 優化目標

高頻開關電源變壓器優化的目標是盡量使變壓器體積向更小的方向發展，因為只有重量達到更輕，頻率達到更高，才能保證溫升，從而使得分布參數和絕緣滿足設計的前提條件。為將變壓器的效率實現最大化，需要注意的是，在設計的過程中，應該遵循以下兩個基本原則：

（1）保證變壓器的銅損和鐵損二者相等。

（2）保證在初次繞組時，變壓損耗相呈相等狀態。

此外，為使得變壓器的體積盡量縮小，在設計時必須采用合適的磁芯和繞組結構，以此保證設計的正常進行。

2.3 優化設計方法

現階段，納米晶帶材的可用磁心結構主要分為矩形與環形。在磁心結構確定后，根據變壓器自身指定的工作條件，初級繞組匝數和繞組結構直接決定了變壓器的磁芯截面積大小，繞組尺寸和磁心的窗口面積。因此，對于矩形和環形這類磁心結構，一般是需要對不同層次和匝數下，變壓器的體積、重量以及損耗等進行具體的比較，進而對高頻開關電源變壓器采取更加優質的設計方案。

3 高頻開關電源變壓器的應用

通過將本文的設計進行應用分析可后可知，在變壓器功率相同時，矩形磁心比環形磁心更緊湊，主要原因是：

（1）環形變壓器通常是會占用部分磁心，從而使變壓器保持固定狀態，但是矩形變壓器可以利用下側磁心，進而實現固定變壓器的目標。

（2）環形變壓器的繞組內側長度，會極大降低磁心窗口實際利用率，以使變壓器的中心出現較大冗余空間，但是矩形變壓器的磁心窗口利用率通常不會受到任何的影響。

參考文獻

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[2]宣炯華，羅中良，陳治明，鄧雪晴.開關電源高頻變壓器超聲波測量裝置設計[J].現代計算機，2014（12）：48-51.

[3]張學廷.如何進一步優化高頻開關電源變壓器[J].科技創新與應用，2015（03）：122-123.

[4]周興明，朱錫培.開關電源高頻變壓器電容效應建模與分析[J].電子世界，2014（10）：482.

[5]楊旭峰，韓闖，李彥斌，YANGXu-feng，HANChuang.關于開關電源變壓器變換效率優化設計[J].計算機仿真，2015（10）：149-153.

[6]王曉毛，梅桂華，謝應耿.基于高頻開關電源的反向注入式直流平衡裝置的研究及應用[J].電力系統保護與控制，2015（08）：139-144.

作者簡介

常樂（1984-），女，山西省晉中市壽陽縣人。現為山西職業技術學院本科碩士講師。主要研究方向為應用電子、通信工程。

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【關鍵詞】變壓器耦合并聯型；開關電源；檢修

彩色電視機的電源系統包括開關穩壓電源和行輸出變壓器脈沖整流電源兩大部分。開關穩壓電源具有效率高、重量輕、穩壓范圍寬、穩定性和可靠性高、易于實現多路電壓輸出和遙控開關等優點。按穩壓控制方式分調寬式和調頻式，按開關變壓器與負載的連接方式分為串聯型和并聯型，按振蕩啟動方式分為自激式和他激式。不同類型的開關電源電路，工作方式不同，在電路結構上會有較大的差異。而且開關電源電路的損壞在彩電維修中占有很大的比例。現具體討論變壓器耦合、并聯輸出、自激式、調寬穩壓型開關電源的檢修注意事項和檢修方法。

一、檢修注意事項

由于開關電源工作在高電壓、大電流的情況下，所以為了實現安全、快速的檢修，必須注意以下幾點：

1、為了避免事故發生，檢修時必須才取必要的措施。在被檢測電源輸入端外接1:1隔離變壓器，將檢修整機與電網火線隔離開來。另外最好把工作臺鋪上絕緣膠墊。

2、檢修時應注意人身、儀器的安全。由于“熱底板”存在著與電網火線相通的可能，因此應注意電源部分“熱底板”和“冷底板”的區域范圍。

3、市電輸入回路的延時熔絲管或供電回路的保險電阻燒壞，不能采用導線短接的方法進行檢修，以免擴大故障范圍。

4、開關電源未起振時，大部分彩電的300V供電的濾波電容會在關機后存儲一定的電壓，必須先將存儲的電壓泄放掉后再檢修，以免損壞測量儀表或擴大故障范圍。

5、檢測開關電源不同部位的電壓時，要選擇好接地線。即測開關電源初級部分的關鍵點電壓時，應選擇300V供電的濾波電容負極為“地”，而測開關電源輸出端電壓時，應該以高頻調諧器外殼或與其相通的部位為“地”，否則會導致所測電壓不準。

6、開關管擊穿后，必須檢查故障確定原因后再通電試機，以免更換后的開關管再次擊穿。

7、檢修過壓保護電路動作的故障時，不能輕易脫開保護電路進行檢修，以免擴大故障范圍。

8、需要暫時斷開負載，以判斷故障是在負載的行輸出級還是在開關電源部分時，必須在開關電源的輸出端接上一個假負載才能開機。假負載需接在B＋電壓的濾波電容兩端或B＋供電的整流管負極與地之間，而不能接在B＋整流管正極與地之間。當采用斷開穩壓電路檢修時，應在交流電壓輸入端串接一個100W燈泡降壓，防止輸出電壓過高而燒壞元件。

二、檢修時的檢測要點

不同類型的開關電源電路，由于工作方式的不同會在電路結構上有較大差異，但基本工作原理和方框結構比較相近，檢測要點也基本相同。

1、輸入端“交～直變換”的檢測要點

輸入端的“交～直變換”是指220V輸入回路、整流、濾波這部分電路，它的任務是把220V的交流電壓變換成直流電壓，輸送到開關管的集電極。因此，通過檢測開關管集電極上有無250～340V左右的直流電壓，來判斷這部分電路工作是否正常。若此電壓為零，表明電路出現斷路故障，應先對其進行檢修，使其達到正常后，才能檢修其他電路。

2、開關振蕩電路的檢測要點

開關振蕩電路是開關電源的關鍵部位，它包括開關變壓器（主要是初級繞組和正反饋繞組）、開關管、啟動電路和正反饋電路。

（1）開關振蕩電路是否起振的判斷方法如下：

1）直流電壓檢測法：檢測開關管基極有無0.1～0.2V的負電壓，有負電壓即表示已經起振。

2）“dB”電壓檢測法：用萬用表的dB擋檢測開關管基極或集電極有無dB電壓，有dB電壓表示已經起振。如萬用表沒有dB擋，可在表筆上串聯一個0.1μF/400V的無極性電容后，用交流電壓擋去測量。

3）示波器觀察法：用示波器觀察開關管基極或集電極有無開關脈沖信號。注意：用示波器檢測時，必須在220V輸入端加接1:1隔離變壓器。

（2）若通過以上檢測確定開關振蕩電路沒有起振，則應重點檢查以下電路：

1）啟動電路是否開路。檢查方法十分簡單，用萬能表的直流擋位測量開關管的B極，在開機瞬間如開關管B極電壓有跳變則說明啟動電路正常，如果按動開關時表筆沒有擺動則說明啟動電路開路了。

2）正反饋電路中有無元件開路或短路。檢修時，只要對正反饋回路中的阻容元件測量或采用代換法就可以查找出故障根源。

3）由取樣繞組、取樣比較、誤差放大和脈沖寬度調節電路組成的穩壓電路是否有故障。必要時可暫時斷開穩壓控制電路，使振蕩器單獨起振。

4）保護電路是否有故障，必要時可斷開保護電路。

3、輸出端“交～直變換”的檢測要點

輸出端的“交～直變換”是指開關變壓器次級繞組輸出的脈沖電壓經整流、濾波后形成的直流輸出電壓。一般開關電源有多路直流輸出電壓，檢測各路輸出的直流電壓值，可以判斷開關電源的工作是否正常。

4、穩壓控制電路的檢測要點

穩壓控制電路一般包括取樣繞組、取樣電路、基準電壓、比較放大、誤差放大和脈沖控制電路幾個部分。它的任務是通過自動調整開關管的導通時間，從而調整高頻脈沖的占空比，使輸出電壓穩定在負載所要求的電壓值上。檢測穩壓控制電路的方法是用萬用表檢測輸出端的直流電壓，然后微調穩壓電路中的可調電阻，看輸出端的電壓能否變化，能否重新穩住，從而判斷整個穩壓電路中是否正常。

三、常見故障的檢修方法

1、保險絲熔斷

開機就燒保險絲，且燒斷的保險絲內部呈現出黑色煙霧狀，表明電路中有嚴重的短路性，且一般都發生在開關電源本身，這時應檢查消磁電路、整流、濾波電路或是開關管等重要元件是否被擊穿了；如果燒斷的保險絲還呈透明狀，通常是電流過載而造成的，多數為行輸出有短路性故障。

維修方法：先采用串聯燈泡法簡捷地判斷出是開關電源本身故障還是行輸出電路的問題：在交流輸入端串入一個100w／220v的燈泡，開機觀察現象。如果在正常情況下，接通電源后，燈泡會瞬間很亮，隨后變成暗光；如果燈泡沒有發光，則說明是保險絲或是電源開關損壞；如果燈泡在瞬間很亮后就再沒有發光了，則表明消磁之前的電路正常，應把重點放到整流以后的電路；如果燈泡長時間保持很亮，則說明電源部分有短路性故障，應著重檢查整流電路和穩壓電路；如果燈泡亮了一下，隨后又變得較亮，則很大可能是行負載有短路，這時可對行輸出電路進一步檢查。

如果判斷出是開關電源本身故障。先用觀察法檢查電路上有沒有燒焦或是炸裂的元件，聞一聞有沒有異味。經看，聞之后，再用萬用表進行檢查。首先測量一下電源輸入端的電阻值，若太小，則說明后端有局部短路現象，然后分別測量四只整流二極管正、反向電阻和限流電阻的阻值，看其有無短路或燒壞；然后再測量一下電源濾波電容是否能進行正常充放電，再就測量一下開關管是否擊穿損壞。需要說明的一點是：因是在路測量，有可能會使測量結果有誤，造成誤判。因此必要時可把元器件焊下來再進行測量。

2、無直流電壓輸出

如果保險絲是完好的，在有負載的情況下，各級直流電壓無輸出。這種情況主要是以下原因造成的：電源中出現開路，短路現象，過壓，過流保護電路出現故障，振蕩電路沒有工作，電源負載過重，高頻整流濾波電路中整流二極管被擊穿，濾波電容漏電等。

維修方法：首先，用萬用表測量開關管集電極有無300V直流電壓，若沒有應往前查交流輸入，保險絲、整濾波等電路是否正常；若集電極電壓正常，則檢查開關管b極電壓。測開關管b極電壓或者在關機瞬間，用指針萬用表R×lΩ擋，黑筆接b極，紅筆接整流濾波電容負極（熱地），聽電源有啟動聲音，說明電源振蕩電路正常，僅缺乏啟動電壓，是啟動電阻開路或銅皮斷。若無啟動聲，在測be結后，迅速將表轉到電壓檔，測c極電壓是否快速泄放。若是，說明開關管及其放電回路均正常，正反饋電路存在故障，包括反饋電阻、電容、續流二極管、正反饋繞組及其開關管故障。若c極電壓仍不泄放，說明開關管及其回路有開路故障或b極有短路接地故障。

3、有直流電壓輸出，但輸出電壓過高

這種故障往往來自于穩壓取樣和穩壓控制電路出現故障所致。在開關電源中，直流輸出、取樣電阻、誤差取樣放大管、光耦合器、脈沖控制電路等電路共同構成了一個閉合的穩壓控制環路，任何一處出問題都會導致輸出電壓升高。

維修方法：由于開關電源中有過壓保護電路，可以通過斷開過壓保護電路，使過壓保護電路不起作用。用分割法以穩壓環路中的光耦為分水嶺，對電路實行分割，確定故障范圍。將光耦件熱地端的兩控制腳短路，觀察B＋變化，B＋嚴重下降或停止輸出，說明熱底板部分正常。故障點在B＋取樣電路及光耦；變化不明顯或無變化，說明熱底板部分有故障，要仔細檢查此部分的脈沖控制電路。檢查脈沖控制電路可采用調整交流電壓法：用交流調壓器調整交流輸入電壓，監測+B輸出電壓。然后測脈寬調整電路中各級三極管的b、e、c極電壓、光耦端子間壓降變化，看其是否與穩壓原理相符或變化趨勢一致。測到某一點與穩壓原理應得值相反，說明被測點的這一級有故障，應逐一檢查相關元件。注意振蕩定時電容容量下降也會使輸出電壓過高。

對于具體的開關電源電路故障現象，可因故施修、因機施修，靈活掌握，采用不同的檢修方法和步驟，以達到準確、快速、高質量地完成檢修任務為目的。無論采取何種方法和步驟，原則是不能造成穩壓電路開路、開關管失控，引起開關電源輸出電壓升高，造成大面積元件損壞，反而將故障擴大。如果掌握了開關電源各電路和元件發生故障的規律，就能夠迅速地排除各種故障。

參考文獻

[1]章夔.電視機維修技術[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]詹新生.彩色電視機檢修與技能實訓[M].北京:化學工業出版社,2008.

[3]梁建華.電視機維修技術[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2008.

作者簡介：

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【關鍵詞】納米晶；軟磁材料；鐵芯；鐵基合金

引言

八十年代以來，由于計算機網絡和多媒體技術、高密度記錄技術和高頻微磁器件等的發展和需要，越來越要求所用各種元器件高質量、小型、輕量，這就要求制造這些器件所用的軟磁合金等金屬功能材料不斷提高性能，向薄小且高穩定性發展[1]。正是根據這種需要，1988年日本的Yoshizawa等人首先發現，在Fe—Si—B非晶合金的基體中加人少量Cu和M（M=Nb，Fa，Mo，W等），經適當的溫度晶化退火以后，可獲得一種性能優異的具有b.c.c結構的超細晶粒（D約10nm）軟磁合金[2]。這時材料磁性能不僅不惡化，反而非常優良，這種非晶合金經過特殊的晶化退火而形成的晶態材料稱為納米晶合金。其典型成份為Fe73.5CuNb3Si13.5B9，牌號為Finemet。其后，Suzuki等人又開發出了Fe—M—B（M=Zr，Hf，Ta）系。到目前為止，已經開發了許多納米晶軟磁材料，包括：Fe基、Co基、Ni基[3]。由于Co基和Ni基易于形成K、λs、同時為零的非晶態或晶態合金，如果沒有特殊情況，實用價值不大。故本文主要介紹鐵基納米晶軟磁合金。鐵基納米晶合金是以鐵元素為主，加人少量的Nb、Cu、Si、B元素所構成的合金經快速凝固工藝所形成的一種非晶態材料，這種非晶態材料經熱處理后可獲得直徑為l0—20納米的微晶，彌散分布在非晶母體上，被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。納米晶材料具有優異的綜合磁性能：高飽和磁感（1.2T）、高初始磁導率（8萬）、低Hc（0.32A/M），高磁感下的高頻損耗低（P0.5T/20kH=30W/kg），電阻率為80微歐厘米，比坡莫合金（50—60微歐厘米）高，經縱向或橫向磁場處理，可得到高Br（0.9T）或低Br值（1000Gs）。是目前市場上綜合性能最好的材料。

1 納米晶軟磁合金的性能

1.1 軟磁合金的磁特性

對于納米晶軟磁合金，按性能要求，常分為高Bs型、高0型等。

（1）高型納米晶合金，其成份至今局限于FeSiB系。以FeCuNbSiB系磁性最佳，其性能參數達到：在磁場0.08A/m下，相對磁導率達14萬以上，矯頑力最低已達0 .16A/m，飽和磁感Bs高達135T，在頻率lOOkHz和磁感0.2T下鐵損低達250kW/1T。值得研究的是飽和磁致伸縮系數21×10-6，而不是0左右。

（2）高Bs型鐵基納米晶合金，其Fe含量在88at%以上，Bs值可達16～1.72T，典型成份為FeMB（M=Zr，Hf等）。對于FeZrB系合金，典型成份為Fe73.5CuNb3Si13.5B9，經600℃退火1h，其Bs=166T，j（1kHz）=24000。對于FeHfB系，典型成份也是FeHf7B2在600退火1h，其Bs=1 6T，（1kHz）=18000。另外，對于Fe—P—C系合金，以Nd作為添加元素也可獲得高Bs的鐵基軟磁合金。FeCuNbSiB系納米晶合金是綜合性能優秀的典型合金。曾將FeCuNbSiB系納米軟磁合金與其它軟磁材料的磁特性進行過對比，發現其它各類軟磁材料都是在一兩項性能方面具有優勢。

2 非晶納米晶軟磁材料的應用

鑒于非晶納米晶軟磁材料的優異特性 ，可應用于電子儀器設備中的大功率中高頻變壓器、高頻開關電 源、電磁兼容器件、高精度電流互感器、高頻電流取樣器、磁傳感器等器件中

2.1 大功率中高頻變壓器

在 20～50 kHz頻率范 圍內的變壓器 ，以往一般采用鐵氧體做變壓器磁芯 ，由于制造工藝的限制 ，大功率變壓器所需要的磁芯很難解決 ，不得不使用幾個磁芯。納米晶軟磁材料具備的優異性能，為高頻變壓器 的小型化 、輕量化提供了理想材料。用納米晶軟磁材 料制造的變壓器具有以下優點： 功率大：當 10～20 kW時，功率密度可達到 15～ 20 kW/kg；漏感小 ：一般小于5 H；效率高：可達到 90%以上；體積小、質量輕：15 kW變壓器的質量僅為 3 kg左右，體積比鐵氧體降低 50%；溫升小 ：由于納米 晶軟磁材料的低損耗，可大幅度降低發熱，從而提高變壓器的使用可靠性。

2.2 高頻開關電源

納米晶軟磁材料的薄帶厚度和電阻率決定其最佳應用頻率范圍在 kHz頻帶，這正好與目前的高頻開關電源頻帶相同，高頻開關電源就成了應用非晶納米晶軟磁材料應用的重要領域。高頻開關電源中使用的磁性器件較多。這些磁性器件均為開關電源的核心元件，如功率變壓器、電流互感器、共模電感、扼流圈、濾波電感、可飽和電感、尖峰信號抑制器 和抗噪聲干擾器等。 我國已開發出多種規格的非晶納米晶材料的 O 型 、C型、CD型等器件應用于開關電源變壓器的磁芯，并廣泛應用到了中頻電源 、逆變電源 、程控交換機及逆 變焊機等的電源變壓器。這些產品的成功推廣應用，有效地提高了非晶納米晶軟磁材料及器件的技術與生產水平。

2.3 電磁兼容器件

在現代電子設備設計中，EMC（電磁兼容）與 EMI（抗電磁干擾）已越來越引起人們重視，解決這些問題的關鍵元件之一即是電感器件。對EMI器件中使用的 電感器設計，人們在磁芯材料選用上曾做過很多探討。選用價格低的硅鋼和鐵粉芯，其頻率特性不佳，易發熱，影響開關管工作；使用常規高性能鐵氧體材料，其飽和磁感應強度和居里點低，需要增大磁芯尺寸與加大氣隙；選用坡莫合金鐵芯，成本則較高，而且大電 流條件下使用時的性價比更高。因為這種電感器的工作頻帶在 kHz級，非晶納米晶材料正適合用于此頻 帶。現在，通過改進工藝加工技術和熱處理技術，研制出了有效磁導率從幾十到幾萬的系列材料，可以滿足不同的電感器件需要。

2.4高精度電流互感器

對于大電流、高精度的電流互感器，磁芯材料的磁特性是產生誤差的一個很大的影響因素。以往較常用 的材料是坡莫合金，但坡莫合金高昴的價格限制了其大規模應用，納米晶軟磁材料是 目前最為理想的制造 大電流、高精度電流互感器磁芯的材料。納米晶軟磁 材料的高磁導率 （初始磁導率 ≥60000）和低損耗特性很好地滿足了電流互感器的精度要求磁芯材料的溫度穩定性對測量精度有很大的影響。對納米晶軟磁材料進行溫度穩定性研究發現，在工作磁感應強度低于0.8T、使用溫度低于 120℃時，磁芯的值隨溫度的升高而略有增加 ，這有利于減小互感器的測量誤差。近幾年來，國內有關單位開展了電流互感器納米晶軟磁磁芯的研制生產工作，所生產的納米晶軟磁電流互感器不僅質量要比坡莫合金輕 1/3， 而且精度可達 0.2S級水平。

2.5 高頻電流取樣器

高頻電流取樣器由于其使用頻帶寬、測量精度高， 用常規軟磁材料難于滿足其全頻段幅值和相位的高精度測量，通常用適合于不同頻段的幾種軟磁材料制作 電流取樣器，進行分頻段測試，這不但大幅度地增加了測量儀器的質量和體積，設備操作不便，且對測試精度 有著較大的影響。通過對納米晶軟磁材料的成分及處理工藝進行設計和調整，用該種材料制備的納米晶軟磁磁芯制作高頻電流取樣器，其性能與國外同類產品相當。

2.6巨磁阻抗傳感材料及器件

材料的交流阻抗隨外加直流磁場的改變而變化的特性稱為磁阻抗效應。最初對這一效應研究得最多的是具有零或負磁致伸縮系數的鈷基非晶態軟磁合金細絲，隨著研究的深入以及新型納米軟磁材料一鐵基納米晶軟磁合金的研制成功，由于其具有非常優異的軟磁性能，是研究 GMI效應的最佳材料，正日益受到國內外學者的重視。當這種細絲通以高頻電流時 ，絲兩端感生的電壓振幅隨沿絲長方向所加外磁場強度的改變而變化，這種變化無磁滯效應，而且響應快 、靈敏度高，這種特別大的磁阻抗效應即為巨磁阻抗效應（Giant Magneto—impedance）。它的靈敏度一般情況下可達 0.25%/（A·m ），比傳統的霍爾元件高出兩個數量級，同時比最近幾年才發展起來的巨磁電阻效應 （Giant Magneto—Resistance，GMR）還高一個數量級，巨磁阻抗效應一般簡寫為 GMI。

參考文獻：

[1]盧志超，周少雄.非晶合金發展的歷史、現狀與展望.

篇4

【關鍵詞】LED筒燈；驅動電源電路；反激式；BP3105

1.引言

在全球能源日益短缺、環保要求不斷提高的情況下，LED燈具正逐漸成為當下及未來照明市場的發展方向。LED照明具有光效高、易控制、壽命長、節能環保等顯著優勢，是人類繼白熾燈、熒光燈之后新的照明革命。目前LED燈具已廣泛應用于室內、室外、景觀照明，在室內照明LED燈具中使用較普遍的是筒燈、射燈、平板燈、球泡燈。隨著LED技術的迅猛發展，LED在照明市場被業界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場，LED燈具也將是取代白熾燈、熒光燈的最大潛力商品。

2.LED筒燈市場分析

筒燈是在工程建設中用量最大的室內工程燈具，它廣泛用于在商場、賓館、寫字樓和家庭裝修中，它是一種點光源燈具，通常是嵌入在天花上作為空間照明使用。筒燈的光源主要是節能燈、LED兩大類。相比較而言，LED除了價格較貴外，其他主要性能都明顯高于節能燈，例如光效方面：螺旋節能燈為60lm/W、2010白光LED為120lm/W；壽命方面：螺旋節能燈

筒燈根據安裝方式主要分為嵌入式和明裝式，其中嵌入式占據近95%的市場；根據燈杯尺寸主要可分為2.5、3、4英寸（民用）和3、4、5、6、8、10英寸（工程），其中4英寸使用最多；根據結構可分為自帶控制裝置式（即一體式）和控制裝置分離式，其中一體式LED筒燈市場很少見。

3.LED筒燈設計方案

結合市場分析和成本控制，本設計任務確定為一款4英寸一體式LED筒燈。主要光電性能符合國家《LED筒燈節能認證技術規范》CQC3128-2010。

3.1 LED筒燈技術參數

功率：一般市場常見4英寸筒燈匹配緊湊型節能燈功率為9-15W左右，根據工程常規通用換算公式LED1W=節能燈1.5-2W，確定本設計輸出功率為10W。

功率因數≥0.8，電源效率≥80%，初始發光效率≥80lm/W。

3.2 LED筒燈總體結構設計

LED筒燈由以下幾部分組件構成，總體結構圖如圖1所示。

（1）外殼：由反光杯和散熱器構成。散熱器選用散熱良好的車鋁型材構成，選用常見的太陽花形式。散熱器底部通過導熱硅脂在外側與反光杯底部緊密連接，反光杯底部內側與LED光源的鋁基板通過導熱硅脂緊密相連。

（2）燈罩：選用亞克力導光板，其具有超薄、亮度高、導光均勻、節能環保、無暗區燈特點，配合多顆均勻散布的小功率LED燈珠，使燈具發光更加均勻，沒有光斑。

（3）LED光源：由鋁基板（MCPCB，35μm銅層及1.5mm鋁合金）和30個標稱0.32W的LED燈珠組成，避免了使用少量大功率燈珠帶來的發光不均勻的弊病。選用30顆首爾STW8Q14BLED燈珠組成10串3并的結構。STW8Q14BLED典型光電參數：色溫2600-7000K，光通量30.5lm（2600-3700k），32lm（3700-7000k），正向電壓降VLED=3.2V，正向電流ILED=110mA，結溫RJC=18℃。LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起。

（4）驅動電源：因為單個LED工作電壓為低電壓，且工作電壓范圍很窄，通常不能直接供電，否則極易損壞。本設計選用恒流驅動，可以避免LED燈珠正向電壓變化所導致的工作電流變化，從而提高LED發光的光視效能和穩定度，延緩光衰。所以采用恒流驅動芯片，電源沿用常用的單開關反激式電路。驅動電路板設計成環形，外裝塑料外殼，與燈具外殼固定相連，散熱器從其中間穿過，構成一體式結構。

4.電路設計

4.1 BP3105芯片簡介

BP3105是一款高精度的LED恒流控制芯片，適用于輸入全電壓范圍的反激式隔離LED恒流電源。采用原邊反饋模式，無需次級反饋電路，也無需補償電路即可實現恒流，系統成本低。芯片內帶有高精度的電流取樣電路，使得LED輸出電流精度達到±3%以內。BP3105采用小體積SOT23-5封裝，管腳封裝圖見圖2。其中GATE為外接NMOS管驅動端；CS為電流采樣端，采樣電阻RCS接在CS與GND之間；FB為輔助繞組的反饋端。BP3105具有多重保護功能，包括LED開路保護、LED短路保護、芯片過溫保護、過壓保護、欠壓保護、FB短路保護等。當Vcc電壓高于16V時，芯片關斷外部功率管，芯片自動重啟直到外部過壓狀態解除；Vcc內部自帶19V鉗位電路，以防止異常條件下芯片損壞。芯片內部熱保護電路檢測結溫度。過熱保護閾值設置在160℃，遲滯為30℃。當結溫度超過閾值（160℃）時，將關斷功率MOSFET，直到結溫度下降30℃后，MOSFET才會重新使能。當輸出出現LED短路或LED開路時，系統將自動進入低功耗模式，同時不斷檢測負載狀態，直到故障解除。當故障解除后，系統自動恢復正常工作。

4.2 驅動電路設計

LED筒燈驅動電路見圖3和圖4。其中圖3為輸入EMI濾波電路和橋式整流電路，圖4為基于BP3105芯片的恒流驅動電路。

圖3中F1為保險絲，起過流保護作用；RV為壓敏電阻，起過壓保護作用；D1-D4為橋式整流電路。Ld1、Ld2、C1、C2組成EMI低通濾波器，Ld1=Ld2，C1=C2，用于共模方式的EMI抑制。共模電感Ld1、Ld2對稱地繞在同一磁芯上，在正常工作電流范圍之內，由于磁性材料產生的磁性互相補償，從而能避免磁飽和，對共模干擾信號呈現高阻抗，而對差模信號和電源電流呈現低阻抗，這樣就保證了對電源電流的衰減很小，而同時又抑制了電流噪聲。EMI濾波器既抑制了來自電網的電磁干擾，同時對驅動電源自身產生的電磁干擾也起衰減作用，以保證電網不受污染。

圖4中C1、C2、R2、D5-D7構成逐流濾波無源功率因數校正電路，C3作為直流端濾波電容。加入逐流電路后在每半周期內，將交流輸入電壓高于直流輸出電壓的時間拉長，圖3中整流二極管D1-D4的導通角就可以增大達到120度以上，交流電源輸入電流為零的死區時間則縮短，電流波形也更趨接近正弦波，減小了電流畸變因子，從而提高電路輸入功率因數，由0.6變到0.9，同時降低輸出直流電壓，至少比橋式整流電容濾波電路的直流輸出電壓低15%。經過逐流電路后，由T1、Q1、D7、C6構成的反激式開關電源電路完成隔離輸出和變壓功能，控制芯片IC1實現反激式開關電源電路的開關控制功能。反激式開關電源電路具有電路結構簡單、安全隔離、成本低的優點，特別適合小功率LED驅動電源的要求。D6、R6、C5構成反激式開關電源電路的吸收電路，在開關Q1關斷后，吸收開關上的尖峰電壓。

BP3105芯片僅需要25uA的啟動電流，系統上電后啟動電阻R5對電容C4進行充電，當電壓達到芯片開啟閾值14V時，芯片內部控制電路開始工作。系統啟動后，其由輔助繞組對Vcc端進行供電。芯片逐周期檢測變壓器主級側的峰值電流，CS端連接到內部的峰值電流比較器的輸入端，與內部500mV閾值電壓進行比較。當CS外部電壓達到500mV時，功率管Q1關斷，系統工作在電感電流斷續模式。BP3105芯片通過FB來反饋輸出電流的狀態，FB的閾值電壓設置在1V。R9、R10為反饋網絡的檢測電阻可以設置到300KΩ～750KΩ，同時利用分壓可以進行線電壓補償。變壓器T1主級側峰值電流：Ip=500（mV）/RCS，實際為了便于調整阻值，RCS用兩個電阻R3和R8并聯。

4.3 變壓器設計

根據BP3105芯片使用要求，系統工作在電感電流斷續模式，最大占空比為Dmax=0.42，中心工作頻率f=44KHz（在40KHz～48KHz之間便于通過EMI測試）。輸入直流平均電壓為200-280V，輸出直流平均電壓Uo=VLED*10=32V，輸出直流平均電流Io=ILED*3=330mA。

（1）確定變比

假設工作在斷續臨界點，最大占空比情況下，根據伏秒積分為零的公式（1）可算出變比，取7。其中Np 是變壓器初級的匝數，Ns 是變壓器次級的匝數，TR為次級電流流通時間。

（1）

（2）確定初級電感量

根據次級電流公式（2）和磁勢平衡公式（3），可以算出變壓器原邊峰值電流Ip=180mA。公式（4）為臨界連續時原邊電感量計算公式，其中電源效率取0.7，在斷續工作狀態下，電感取值應小于該計算值。根據實際實驗結果，變壓器初級電感量定為1.7mH。

（2）

（3）

（4）

（3）確定繞組匝數

根據輸出功率10W選擇變壓器E19磁芯，4+3引腳骨架，變壓器骨架尺寸見圖5。鐵芯材料選常用的PC40錳鋅鐵氧體，Bs=3000G，Br=95G，Ae=0.23cm2。根據公式（5）確定初級繞組匝數，其中ΔB=Bs-Br，余量系數F取0.6。最終選擇N1初級繞組（4、5引腳）167匝，線徑0.25；N3次級繞組（6、7引腳）24匝，線徑0.15；N2反饋繞組（1、3引腳）66匝，線徑0.35。繞組之間覆蓋2層聚酯膜。

（5）

5.散熱器設計

在熱的傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。熱阻越小，其導熱性能越好。太陽花形散熱器是LED筒燈廣泛采用的一種散熱形式。設Y為最優翅片長度，X為芯片功率，根據線性擬合公式Y=4.0333（X-12）+34.422nn，可以計算出最佳翅片長度為26.355mm。翅片厚度的增加，并不能有效增大翅片散熱面積，相反卻會造成散熱器重量的增加，提高成本。但考慮到散熱器翅片采用擠壓工藝成型，對厚度有一定下限要求，在保證大于1mm前提下，盡量減薄以降低散熱器的制造成本。根據計算經驗，翅片間隔需要大于4mm，才能保證自然對流的順利進行。本設計采用一體化結構，散熱器放從環形驅動電源中間穿過，外形圖見圖6，總直徑只能限制在70mm內，本設計中所用太陽花散熱器翅片長20mm，厚1mm，數量36*2=72，翅片間隔3mm。

6.測試結果分析

使用遠方電參數測試儀、積分球對整燈進行測試。

光電實際測試結果：功率因數=0.9，實際輸出功率=10.2W，電源效率=80%，初始發光效率=82lm/W，全部符合設計要求。

溫度測試結果：環境溫度TA=25℃，LED散熱墊的溫度TC=70℃。LED工作狀態：VLED=3.2V，正向電流ILED=110mA，極限工作結溫TJmax=125℃。TJ=RJC（VLED×ILED）+TC=18℃/W（3.2V×110mA）+70℃=76.3℃

7.結論

文章結合LED照明發展現狀，設計了一種基于BP3105恒流驅動芯片的小功率LED筒燈。本設計把控制電源設計成環形，與燈具外殼連接在一起形成整體，這種一體式的結構非常方便用戶安裝；利用多顆小功率LED燈珠構成燈盤，配合導光板，很好地實現了光源的均光性；利用逐流電路提高功率因數到0.9；利用恒流芯片構成的反激式開關電源結構簡單，性能穩定，成本較低。經測試光效達82lm/W，燈具內部LED散熱墊溫度70℃，可以大大延展壽命。目前經過小批量試產的產品應用情況良好，驗證了設計方案的可行性和正確性。

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關鍵詞：永磁同步電機；DC/DC；控制策略

1 驅動電機控制原理

永磁同步電機轉子為永磁體，采用旋轉變壓器作為電機位置傳感器，以電機相電流作為反饋量，控制方式為轉矩閉環控制，控制系統原理如圖1所示。

高壓直流電源經電機控制器DC/AC變換為電壓幅值和頻率可調的三相交流電，驅動永磁同步電機運轉：同時，通過檢測當前的轉子位置信號和對電機的相電流進行實時采樣，并送入電機控制單元。電機控制單元通過CAN總線與整車控制器進行通信，從整車控制器獲得當前轉矩指令、運行模式和旋轉方向，并根據反饋得到電流和電機位置信號，控制電機控制器產生所需要的三相交流電，從而實現電機正常運行。

2 控制器硬件功能描述及組成

2.1電機控制器具有如下功能

（1）過流、過壓、過溫、欠壓、超速、電源極性連接錯誤等保護功能；

（2）轉矩監控功能；

（3）具有CAN電路接口用于通訊，232通訊接口用于程序燒寫、監控和標定：

（4）控制永磁同步電機運行。

2.2控制器硬件組成

控制器硬件主要由低壓DC-DC控制電源單元、DSP控制單元、功率變換單元、接口電路、檢測單元（溫度傳感器，電流傳感器）構成。控制器硬件結構框圖，如圖2所示。

2.3 DC-DC控制電源單元

DC-DC控制電源在寬范圍輸入電壓下，為DSP及驅動電路和控制電路提供多路相互隔離的電源。根據控制器實際需求，DC-DC控制電源采用多個反激式開關電源來滿足需求。

2.4 DSP控制單元

DSP控制單元以驅動S320LF2407為主控芯片，采用永磁同步電機變壓變頻矢量控制方法，實現對永磁同步電動機的轉矩閉環控制。

DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實現：SVPWM信號的產生：電流、電壓及溫度信號的采樣與計算：電機轉子位置與轉速的檢測與計算：通過CAN總線通訊接收整車控制命令；各種保護功能（欠壓，過壓，過流，過溫等）的實現。

DSP控制單元的電路主要包括：時鐘電路；復位電路；JTAG接口電路：外部中斷電路、PWM驅動控制電路：AD采樣電路、旋變信號檢測電路；CAN/232接口電路；D/A轉換電路；外擴EEPROM電路；I/O控制電路等。

2.5功率變換單元

控制器的功率變換單元由直流濾波電容、大功率器件IGBT及其驅動電路構成。

功率模塊驅動電路主要接受DSP開關信息并反饋相關信息（保護信號）；放大開關信號并驅動IGBT；提供電壓隔離和保護功能。控制器驅動電路以隔離型驅動芯片為核心，對控制單元提供的PWM信號進行隔離放大，驅動大功率器件IGBT，實現D C-AC轉換。控制器采用英飛凌的FS400R07AIE3（400A/650V， PinFin結構）作為大功率開關器件。直流濾波電容采用國內領先的AAEV42872膜電容，配套與IGBT模塊組成模塊式結構。

2.6檢測電路

檢測電路主要包括電機相電流（A/C相）、母線電流、母線電壓、電機溫度、控制器溫度及電機位置和速度進行實時檢測，并將采集到的信息送給DSP控制單元，是電機驅動系統可靠運行的保證。

3 控制器關鍵器件選型

3.1 DSP控制單元

電子控制技術已從模擬控制發展到以集成度高的微處理器為核心的數字控制，與傳統的模擬控制技術相比，數字控制擁有以下優點：

（1）體積小、重量輕、能耗低，硬件成本低：

（2）硬件線路連接少、無故障工作時間長、可靠性更高：

（3）受溫度及其它參數變化影響小；

（4）提高了整個系統信息存儲、監控、診斷及實時性的能力：

（5）可以通過軟件編程實現復雜的算法功能，使系統具有較高的適應能力，容易應用現代控制理論，提高了系統的綜合性能。

以電力電子控制技術的數字化發展作為條件，電機控制系統在硬件結構上也發生了很大的變化。尤其是DSP的出現和快速發展，既簡化了電機控制的硬件結構，同時還實現了電機控制的高性能、低成本和高可靠性。本系統選用了TI TMS320LF 2407DSP作為主控制器芯片。

3.2功率變換單元

功率變換單元的驅動電路選用汽車級隔離型IGBT驅動芯片，能夠實現對SVPWM信號的放大，強弱電的電氣隔離以及IGBT短路保護等功能。

IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的車用電機及其控制系統應用領域。

本系統功率模塊選用英飛凌汽車專用IGBTFS400R07AIE3（400A/650V， PinFin結構）作為大功率開關器件，如圖3所示。

3.3濾波電容

電機控制器直流濾波電容主要是用于濾除lOkHz的高頻紋波，瞬時功能及諧波補償等作用。要求直流濾波電容具有高的有效值電流和抗浪涌能力，以及緊湊的體積。

膜電容具有介電常數較高、體積小、容量大、穩定性較好的特性，能夠承受高的有效值電流，能承受兩倍于額定電壓的過壓，能承受反向電壓，能承受高峰值電流，擁有較長的使用壽命。與電解電容相比，實現相同的功能，其所需的容值要遠遠低于電解電容，可以大大減小系統的體積。

4 驅動電機的選型

由于新能源轎車頻繁啟動及加減速，低速大扭矩，高速高功率運行工況特點，對驅動電機技術要求總體歸納如下：

（1）滿足電池能量利用最大化：要求高效率及寬效率區間特點，布置空間體積最優，重量輕量化的高密度要求；

（2）滿足動力性能要求：需要高速寬調速性能，大啟動轉矩及強過載能力，快速轉矩相應及高速高功率特定；

（3）滿足整車舒適性、可靠性要求：電機轉矩波動小、控制成熟、電機結構簡單、可靠；

（4）滿足成本要求：需要電機制造工藝簡單，價格合理。

國內永磁同步電機技術不斷發展，中國稀土資源也相對豐富，永磁同步電機滿足新能源轎車技術需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高轉矩密度、控制成熟、具有較寬效率區間和調速性能等技術特點，相對于直流電機結構簡單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡單、成本適中。

本文描述驅動電機基于以上特點，采用永磁同步電機方案，基于成熟車型電機V型磁鋼沖片平臺進行擴容設計，具有技術平臺成熟，成本控制能力強等特點。

5 控制器接口電路

永磁同步電動機控制器有兩個接口電路（完全相同），使用23PIN的AMP接插件與整車及電機相連，提供控制電源、CAN通信、RS232下載等功能。

RS232接口電路，如圖4所示。

6 電磁兼容性設計

控制器EMC設計主要從強電、弱點、結構三部分開展工作。

6.1強電部分

（1）電機三相動力電纜采用屏蔽電纜，電機和控制器兩端接地屏蔽；

（2）正負母線與機殼見加Y電容，消除共模干擾，正負母線加X電容消除差模干擾：

（3）正負采用疊層母排，降低線路寄生電感。

6.2弱電部分

（1）電源輸入/輸出增加濾波電路：

（2）開關電源變壓器設計盡量減小分部電容；

（3）所有輸入/輸出信號增加濾波電路：

（4）CAN通訊采用隔離電路，采用典型CAN接口電路，并使用雙絞線。

6.3結構部分

（1）箱體采用封閉式，對控制器進行整體屏蔽；

（2）控制器內部強弱電路分開布置，避免相互干擾；

（3）優化線束布置，避免交叉造成相互干擾。

7 永磁同步電機控制技術

對于轉子磁鋼內嵌式永磁同步電機控制，基速以下采用最大轉矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制，如圖5所示。

圖5中交流永磁電機最佳電流矢量控制策略的基本思想如下：

（1）區間ω≤ω1，時，定子電流矢量規定在A1點，電機采用最大轉矩/電流比控制，電機以最大恒轉矩運行。此時，定子電流滿足：|is| =ilimilim，為電流極限圓半徑；定子電壓滿足：|μ|≤μlim，μlim為定子相電壓極限值：

（2）區間ω1

（3）區間ω>ω2：時，電流矢量沿著最大功率軌跡從A2移動至A3點，此時轉速為理想的極限轉速。此時，|is|=ilim，|μ|≤μlim。

由上述分析可以看出，定子電流最佳控制過程中，電機處于驅動工況下的的定子電流運行軌跡為OA1A2A2。

基于電壓前饋的永磁同步電機矢量控制基本框圖如圖6所示。

圖6中，給定電機的輸入電流，由最大轉矩一電流控制策略給出d、q軸電流，同時與弱磁電流進行運算產生給定的d、q軸給定電流。給定的電流與反饋的電流比較，經過PI調節器的作用產生給出的d，q軸電壓經過變換產生電機的三相電壓對電機進行控制。由于采用了轉子磁場定向的矢量控制，可直接實現電機的轉矩，實現四象限的運行。電流控制策略依照不同輸入轉矩需求和當前轉速狀態，按照圖6所示的交流永磁電機電流最優控制方法，計算得到各個轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實際輸出電流。

當車載動力電池電壓隨著負載、SoC狀態發生變化時，Udc發生變化，電壓控制量Uslw隨著變化，通過電壓閉環調解，使得電機輸出能力隨著電壓變化而改變。基于直流母線電壓可變得永磁電機控制以交流電壓輸出恒定為控制目標，使得電機在弱磁運行情況下輸出電壓恒定，充分發揮電機輸出能力。Uslw經與實際電機電壓的比較，通過PI調節輸出電流補償量，補償電流控制策略中的id電流。