开关电源中高频变压器知识总结

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开关电源中高频变压器知识总结

  变压器本质是传递能量,能够实现升压或者降压。我们可以把变压器想象为一个抽水泵,它可以把水从低处传到高处,相当于把电压从低压变为高压;也可以从高处传到低处,相当于降压。变压器是开关电源中常见的一种器件,但是不是全部的变压器都可以用在开关电源上面?只有高频变压器才适合用在开关电源上面。

  一、高频电源变压器的设计原则

  高频电源变压器作为一种产品,自然带有商品的属性,因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样,是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率,有时可能偏重价格和成本。认真考虑一下高频电源变压器的设计原则,追求更好的性能价格比,传送不到10VA的单片开关电源高频变压器,应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本,市场的价值规律是无情的!许多性能好的产品,往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。

  现在有些公司的磁芯产品说明书中,为了缩短用户设计高频电源变压器的时间,有的列出简化的设计公式,有的用表列出磁芯在某种工作频率下的传送功率。这种既为用户着想,又推广公司产品的双赢行为,是完全符合市场规律的行为,绝不是什么需要辨析的错误概念。问题是提供的参考数据,推荐的方案是否是经验的总结?有没有普遍性?都需要经过实践检验,才能站得住脚。

  二、高频电源变压器的设计要求

  以设计原则为出发点,可以对高频电源变压器提出4项设计要求:使用条件,完成功能,提高效率,降低成本。使用条件包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性,现在由于环境保护意识增强,必须注意电磁兼容性。

  高频电源变压器完成功能有3个:功率传送,电压变换和绝缘隔离。功率传送有两种方式。第一种是变压器功率的传送方式,加在原绕组上的电压,在磁芯中产生磁通变化,使副绕组感应电压,从而使电功率从原边传送到副边。

  提高效率是对电源和电子设备的普遍要求。虽然从单个高频电源变压器来看,损耗不大。例如,100VA高频电源变压器,效率为98%时,损耗只有2W,并不多。但是成十万个,成百万个高频电源变压器,总损耗可能达到上100kW,甚至上MW。还有,许多高频电源变压器一直长期运行,年总损耗相当可观,有可能达到上10GW·h。

  降低成本是高频电源变压器的一个主要设计要求,有时甚至是决定性的要求。高频电源变压器作为一种产品,和其他商品一样,都面临着市场竞争。竞争的内容包括性能和成本两个方面,缺一不可。不注意降低成本,往往会在竞争中被淘汰。3高频电源变压器的设计程序

  根据高频电源变压器的设计要求,选择软磁材料本来应当是设计程序的第一项。但是,现在一般都认为高频电源变压器应当选择软磁铁氧体,是自然而然的事情。

  高频电源变压器设计中选择磁芯结构时考虑的因素有: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。

  高频电源变压器磁芯参数设计中,要特别注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制,还要受损耗的限制,同时还与功率传送的工作方式有关。

  高频电源变压器设计的线圈参数包括:匝数,导线截面(直径),导线形式,绕组排列和绝缘安排。

  三、开关电源变压器的检测方法

  1、通过观察变压器的外貌来检查其是否有明显异常现象。如线圈引线是否断裂,脱焊,绝缘材料是否有烧焦痕迹,铁心紧固螺杆是否有松动,硅钢片有无锈蚀,绕组线圈是否有外露等。

  2、绝缘性测试。用万用表R×10k挡分别测量铁心与初级,初级与各次级、铁心与各次级、静电屏蔽层与衩次级、次级各绕组间的电阻值,万用表指针均应指在无穷大位置不动。否则,说明变压器绝缘性能不良。

  3、线圈通断的检测。将万用表置于R×1挡,测试中,若某个绕组的电阻值为无穷大,则说明此绕组有断路性故障。

  4、判别初、次级线圈。电源变压器初级引脚和次级引脚一般都是分别从两侧引出的,并且初级绕组多标有220V字样,次级绕组则标出额定电压值,如15V、24V、35V等。再根据这些标记进行识别。

  5、空载电流的检测。

  a、直接测量法。将次级所有绕组全部开路,把万用表置于交流电流挡(500mA,串入初级绕组。当初级绕组的插头插入220V交流市电时,万用表所指示的便是空载电流值。此值不应大于变压器满载电流的10%~20%。一般常见电子设备电源变压器的正常空载电流应在100mA左右。如果超出太多,则说明变压器有短路性故障。

  b、间接测量法。在变压器的初级绕组中串联一个10?/5W的电阻,次级仍全部空载。把万用表拨至交流电压挡。加电后,用两表笔测出电阻R两端的电压降U,然后用欧姆定律算出空载电流I空,即I空=U/R。F?空载电压的检测。将电源变压器的初级接220V市电,用万用表交流电压接依次测出各绕组的空载电压值(U21、U22、U23、U24)应符合要求值,允许误差范围一般为:高压绕组≤±10%,低压绕组≤±5%,带中心抽头的两组对称绕组的电压差应≤±2%。

  6、一般小功率电源变压器允许温升为40℃~50℃,如果所用绝缘材料质量较好,允许温升还可提高。

  7、检测判别各绕组的同名端。在使用电源变压器时,有时为了得到所需的次级电压,可将两个或多个次级绕组串联起来使用。采用串联法使用电源变压器时,参加串联的各绕组的同名端必须正确连接,不能搞错。否则,变压器不能正常工作。

  8、电源变压器短路性故障的综合检测判别。电源变压器发生短路性故障后的主要症状是发热严重和次级绕组输出电压失常。通常,线圈内部匝间短路点越多,短路电流就越大,而变压器发热就越严重。检测判断电源变压器是否有短路性故障的简单方法是测量空载电流(测试方法前面已经介绍)。存在短路故障的变压器,其空载电流值将远大于满载电流的10%。当短路严重时,变压器在空载加电后几十秒钟之内便会迅速发热,用手触摸铁心会有烫手的感觉。此时不用测量空载电流便可断定变压器有短路点存在。

  四、平面变压器的特性及标准化设计

  1、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、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。

  3、平面变压器的标准化设计

  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。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。

  小编经验总结

  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。

  高频电源变压器随着工作频率的提高,设计不断发生变化,不断出现新的软磁材料,新的磁芯结构,新的导线材料和绝缘材料,新的线圈结构和组装结构等等,不断出现新的设计方法,就象登山一样,不断攀上新的台阶。

作者:|2015-07-21T10:21:17+00:002015.07.21|知识中心|0 评论

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