变配电运行中,变压器必不可少,熟悉和掌握变压器的基本常识是非常有必要的,变压器的基本知识储备是每一个电力人必备的技能!

1、什么叫变压器?

在交流电路中,将电压升高或降低的设备叫变压器,变压器能把任一数值的电压转变成频率相同的我们所需的电压值,以满足电能的输送,分配和使用要求。

例如发电厂发出来的电,电压等级较低,必须把电压升高才能输送到较远的用电区,用电区又必须通过降压变成适用的电压等级,供给动力设备及日常用电设备使用。

2、变压器是怎样变换电压的?

变压器是根据电磁感应制成的。它由一个用硅钢片(或矽钢片)叠成的铁芯和绕在铁芯上的两组线圈构成,铁芯与线圈间彼此相互绝缘,没有任何电的联系。

将变压器和电源一侧连接的线圈叫初级线圈(或叫原边),把变压器和用电设备连接的线圈叫作次级线圈(或副边)。当将变压器的初级线圈接到交流电源上时,铁芯中就会产生变化的磁力线。

由于次级线圈绕在同一铁芯上,磁力线切割次级线圈,次级线圈上必然产生感应电动势,使线圈两端出现电压。因磁力线是交变的,所以次级线圈的电压也是交变的。而且频率与电源频率完全相同。

经理论证实,变压器初级线圈与次级线圈电压比和初级线圈与次级线圈的匝数比值有关,可用下式表示:初级线圈电压/次级线圈电压=初级线圈匝数/次级线圈匝数 说明匝数越多,电压就越高。因此可以看出,次级线圈比初级线圈少,就是降压变压器。相反则为升压变压器。

3、变压器设计有哪些类型?

按相数分有单相和三相变压器

按用途分有电力变压器,专用电源变压器,调压变压器,测量变压器(电压互感器、电流互感器),小型电源变压器(用于小功率设备),安全变压器.

按结构分有芯式和壳式两种。线圈有双绕组和多绕组,自耦变压器。

按冷却方式分有油浸式和空气冷却式。

4、变压器部件是由哪些部分组成的?

变压器部件主要是由铁芯、线圈组成,此外还有油箱、油枕、绝缘套管及分接开头等。

5、变压器油有什么用处?

变压器油的作用是:
(1)、绝缘作用
(2)、散热作用
(3)、消灭电弧作用

6、什么是自耦变压器?

自耦变压器只有一组线圈,次级线圈是从初级线圈抽头出来的,它的电能传递,除了有电磁感应传递外,还有电的传送,这种变压器硅钢片和铜线数量比一般变压器要少,常用作调节电压。

7、调压器是怎样调压的?

调压器的构造与自耦变压器相同,只是将铁芯作成环形线圈就绕在环形铁芯上。

次级线圈抽头用一个可以滑动的电刷触头,使触头沿线圈表面环形滑动,达到平滑的调节电压作用。

8、变压器初级线圈与次级线圈的电流关系是怎样的?

当变压器带有负载运行时, 次级线圈电流的变化, 会引起初级线圈电流相应的变化。 根据磁势平衡原理推导出, 初级民次级线圈的电流和线圈匝数成反比, 匝数多的一边电流就小,匝数少的一边电流就大。

可用下式表示:初级线圈电流/次级线圈电流=次级线圈匝数/初级线圈匝数。

9,什么是变压器的电压变化率?

调压器的电压变化率是变压器的主要性能指标之一。当变压器向负载供电时,在变压器的负载端的电压必然会下降,将下降的电压值与额定电压值相比,取百分数即电压变化率,

可用公式表示;电压变化率=[(次级额定电压-负载端电压)/次级额定电压]×100%。通常的电力变压器,接上额定负载时,电压变化率为4~6%。

10、如何保证变压器有一个额定的电压输出?

电压太高或过低都会影响变压器的正常工作和使用寿命,所以必须调压。

调压的方法是在初级线圈中引出几个抽头,接在分接开头上,分接开头通过转动触头来改变线圈的匝数。只要转动分接开关的位置,即可得到需要的额定电压值。要注意的是,调压通常应在切断变压器所接的负载后进行。

11、通常用的小型变压器是怎样的?应用在哪些场合?

小型变压器指容量在1千伏安以下的单相变压器,多半用作电气设备控制用的电源变压器,电子设备的电源变压器及安全照明用的电源变压器。

12、变压器在运行中有哪些损失?怎样减少损失?

变压器运行中的损失包括两部分:

(1)、是由铁芯引起的,当线圈通电后,由于磁力线是交变的,引起铁芯中涡流和磁滞损耗,这种损耗统称铁损。

(2)、是线圈自身的电阻引起的,当变压器初级线圈和次级线圈有电流通过时,就要产生电能损失,这种损失叫铜损。

铁损与铜损的和就是变压器损失,这些损失与变压器容量、电压和设备利用率有关。因此,在选用变压器时,应尽量使设备容量和实际使用量一致,以提高设备利用率,注意不要使变压器轻载运行。

13、什么是变压器的铭牌?铭牌上有哪些主要技术数据?

变压器的铭牌标明该台变压器的性能、技术规格和使用场合,用来满足用户的选用,通常选用注意的主要技术数据有:

(1)、额定容量的千伏安数。即额定状态下变压器的输出能力。如单相变压器额定容量=U线×I线;三相变压器容量=U线×I线。

(2)、额定电压伏数。分别标明初级线圈的端电压和次级线圈的端电压(不接负载时)值。注意三相变压器的端电压指线电压U线值。

(3)、额定电流安培数。指在额定容量和允许温升条件下,初级线圈和次级线圈允许长期通过的线电流I线值。

(4)、电压比。指初级线圈额定电压与次级线圈额定电压之比。

(5)、接线方式。单相变压器仅有高低压各一组线圈,只供给单相使用,三相变压器则有Y/△式。 除以上技术数据外,还有变压器的额定频率、相数、温升、变压器的阻抗百分比等。

14,怎样选择变压器?如何确定变压器的合理容量?

首先要调查用电地方的电源电压,用户的实际用电负荷和所在地方的条件,然后参照变压器铭牌标示的技术数据逐一选择,一般应从变压器容量、电压、电流及环境条件综合考虑,其中容量选择应根据用户用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量,以此来选择变压器容量。

在正常运行时,应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75~90%左右。运行中如实测出变压器实际承受负荷50小于%时,应更换小容量变压器,如大于变压器额定容量应立即更换大变压器。

同时,在选择变压器根据线路电源决定变压器的初级线圈电压值,根据用电设备选择次级线圈的电压值,最好选为低压三相四线制供电。这样可同时提供动力用电和照明用电。

对于电流的选择要注意负荷在电动机起动时能满足电动机的要求(因为电动机起动电流要比下沉运行时大4~7倍)。

15、为什么变压器不能过负荷运行?

过负荷运行是指变压器运行时超过了铭牌上规定的电流值。

过负荷分为正常过负荷和事故过负荷两种,前者是指在正常供电情况下,用户用电量增加而引起的,它往往使变压器温度升高,促使变压器绝缘老化,降低使用寿命,所以不允许变压器过负荷运行。

特殊情况下变压器短时间内的过负荷运行,也不能超过额定负荷的30%(冬季),在夏季不得超过15%。

对后者,事故过负荷与允许过的时间要求见下表。

16个变压器知识,都说知道12个就算厉害了!

16,变压器在运行中应该做哪几种测试?

为了保证变压器能够正常运行,应经常进行下列几项测试:

(1)、温度测试。变压器运行状态是不是正常,温度的高低是很重要的。规程规定上层油温不得超过85C(即温升55C)。一般变压器都装有专用温度测定装置。

(2)、负荷测定。为了提高变压器的利用率,减少电能的损失,在变压器运行中,必须测定变压器真正能承担的供电能力。测定工作通常在每一季节用电高峰时期进行,用钳形电流表直接测定。电流值应为变压器额定电流的70~80%,超过时说明过负荷,应立即调整。

(3)、电压测定。规程要求电压变动范围应在额定电压±5%以内。如果超过这一范围,应采用分接头进行调整,使电压达到规定范围。一般用电压表分别测量次级线圈端电压和未端用户的端电压。

(4)、绝缘电阻测定。为了使变压器始终处于正常运行状态,必须进行绝缘电阻的测定,以防绝缘老化和发生事故。测定时应设法使变压器停止运行,利用摇表测定变压器绝缘电阻值,要求所测电阻不低于以前所测值的70%,选用摇表时,低压线圈可采用500伏电压等级的。

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围观 16

变压器电感量怎么算?为什么各不相同?看完终于懂了!

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为何两套变压器计算公式计算出来的电感量是不相同的?到底谁对谁错?

比如新手工程师张三对于开关电源变压器的计算还没有很好的理解,去请教李四和王五,然后李四给了一套计算公式给张三,王五也给了一套计算公式给张三。然后张三分别按照两个人给的公式兴致勃勃的算了起来,算出来之后,发现两套公式计算出来的电感量根本不相同,且相差了不少,到底是李四对还是王五对?

我设计开关电源也有一些年份了,接触开关电源的新手也比较多,而新手问得最多的一个问题就是变压器怎么计算,而变压器计算中问得最多的一个问题就是,上面提到的感量不一样的问题。我可以这么说,只要有这个疑问的电源工程师,那么一定说明你是新手,一定没有掌握变压器的设计方法。其实两个工程师计算出来的电感量不相同是很正常的,我甚至可以说,同一个项目给两个不同的并且有经验的工程师来计算变压器的话,这两个工程师计算出来的电感量一定不一样。

为什么?其中有比较多的原因。我们以反激为例,计算变压器得出来的感量大与小根本没有绝对的对与错,只要你的变压器在最低输入电压最大输出功率工作的时候,变压器磁芯不饱和,另外温度能过关,就不能说他的计算方法不对。

印刷电路板 (PCB) 是电子产品的躯体,最终产品的性能、寿命和可靠性依赖于其所构成的电气系统。如果设计得当,具有高质量电路的产品将具有较低的现场故障率和现场退货率。因此,产品的生产成本将更低,利润更高。为了按时生产高质量的 PCB 板,同时不增加设计时间且不产生代价高昂的返工,必须尽早在设计流程中发现设计和电路完整性问题。

为了把产品快速可靠地推向市场,利用设计工具实现设计流程自动化就显得十分必要,但如何才能确保设计获得成功呢?为了最大程度地提高设计效率和产品质量,应当关注哪些细节?设计工具显然应该直观易用且足够强大,以便克服复杂的设计挑战,但还有哪些事项值得注意?

第一步:不要停留于基本原理图输入

原理图输入对于生成设计的逻辑连接而言至关重要,其必须准确无误、简单易用且与布局集成为一体才能确保设计成功。

简单地输入原理图并将其传送到布局还不够。为了创建符合预期的高质量设计,需要确保使用最佳元件,并且可以执行仿真分析,从而保证设计在交付制造时不会出问题。

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第二步:不要忽视库管理库

管理是设计流程的重要组成部分。为了快速选择最佳元件并将其放置在设计中,器件的简易创建和轻松管理就显得十分必要了。

PADS 允许您在一个库中维护所有设计任务,并可实时更新该库,以便于使用并确保设计开发的精确性。您可以通过单个电子表格来访问所有元器件信息,而无需担心数据冗余、多个库或耗时费力的工具开销。

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第三步:有效管理设计约束规则

当今的关键高速设计异常复杂,如果没有有效的手段来管理约束规则,则对走线、拓扑和信号延迟等方面的设计、约束和管理将会变得异常困难。为了在第一次迭代中就构建出成功的产品,必须在设计流程的早期设置约束规则,以便设计达到要求的目标。良好的约束规则管理可防止您使用价格高昂或无法采购到的元件,并且最终确保电路板符合性能和制造要求。

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第四步:确保您具备所需的布局能力

近年来,PCB 布局设计的复杂度显着高于以前。为了制造更小型、更便携的电子装置,设计的密度不得不提高。此外,工作频率也被提高,这就要求设计人员评估以前可能遭到忽略的电气特性以确保设计可用。为了跟上日益复杂的步伐,设计人员必须具备更广泛的能力,以便定义高级规则集,创建独特的射频形状并实施校正结构来改善设计的总体性能。

布局过程中,智能布局工具有助于创建高效的布置和布线策略。精密布置可减少设计后期的违规情况,让您能够能在少犯错误的情况下更快速地完成项目。

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虽然一般使用手动布线来达到真实的设计意图,但将交互式布线与自动布线进行有效的搭配使用有助于满足市场时限要求,并能提高设计质量。自动布线还能帮助应对棘手的任务,如差分对布线、网络调整、制造优化、微过孔和增层技术等。如果事先规划好布线策略,使用自动布线的效率将大为提高。

另一个挑战是现代 PCB 要维护成千上万的网络,这可能会为在设计中的关键区域布线带来困难。避免这个问题的最佳办法是将网络线分成组,以便创建有效的布线策略。创建规划组后,便可标记并过滤网络组,以突出显示需要布线的关键网络。

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围观 14

mos管隔离驱动电路,如果驱动高压MOS管,我们需要采用变压器驱动的方式和集成的高边开关。这两个解决方案都有自己的优点和缺点,适合不同的应用。集成高边驱动器方案很方便,优点是电路板面积较小,缺点是有很大的导通和关断延迟。变压器耦合解决方案的优点是延迟非常低,可以在很高的压差下工作。常它需要更多,缺点是需要很多的元件并且对变压器的运行有比较深入的认识。变压器常见问题和与MOS管驱动相关的问题:

变压器有两个绕组,初级绕组和次级绕组实现了隔离,初级和次级的匝数比变化实现了电压缩放,对于我们的设计一般不太需要调整电压,隔离却是我们最注重的。理想情况下,变压器是不储存能量的(反激“变压器”其实是耦合电感)。不过实际上变压器还是储存了少量能量在线圈和磁芯的气隙形成的磁场区域,这种能量表现为漏感和磁化电感。对于功率变压器来说,减少漏感可以减少能量损耗,以提高效率。MOS管驱动器变压器的平均功率很小,但是在开通和关闭的时候传递了很高的电流,为了减少延迟保持漏感较低仍然是必须的。

法拉第定律规定,变压器绕组的平均功率必须为零。即使是很小的直流分量可能会剩磁,最终导致磁芯饱和。这条规则对于单端信号控制的变压器耦合电路的设计有着重大影响。磁芯饱和限制了我们绕组的伏秒数。我们设计变压器必须考虑最坏情况和瞬时的最大的伏秒数。(在运行状态下,最坏情况和瞬时的,最大占空比和最大电压输入同时发生的情况),唯一我们确定的是变压器有一个稳定的电源电压。

对于单端应用的功率变压器来说,很大一部分开关周期需要保留来保证磁芯的正确复位(正激变换器)。复位时间大小限制电路运行的占空比。不过由于采用交流耦合实现了双向磁化,即使对于单端MOS管驱动变压器也不是问题。

单端变压器耦合MOS管驱动电路

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隔直电容必须在源边电路,起到的作用是提供重启电压,如果没有该电容,变压器的磁化电压和占空比相关,变压器磁性可能饱和。

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双端变压器耦合MOS管驱动电路

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MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用于需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动电路,也有照明调光。现在的MOS驱动,有几个特别的需求:

1.低压应用

当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be只有0.7V左右的压降,导致实际最终加载gate上的电压只有4.3V,这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

2.宽电压应用

输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。

3.双电压应用

在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。

这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2提到的问题。

在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出需求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构。

本文转载自:张飞实战电子
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围观 11

概述

开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一,减小它的发热量,不仅可以提高功率管的可靠性,而且可以提高开关电源的可靠性,提高平均无故障时间(MTBF)。

开关管的发热量是由损耗引起的,开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成,减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗;开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的,减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少。但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗,如采用软开关技术,可以大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量,对交流整流及缓冲二极管,一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗,可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。对于高频磁性材料引起的损耗,要尽量避免趋肤效应,对于趋肤效应造成的影响,可采用多股细漆包线并绕的办法来解决。

高频电源变压器是工作频率超过中频(10kHz)的电源变压器,主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器,也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。按工作频率高低,可分为几个档次:10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。传送功率比较大的,工作频率比较低;传送功率比较小的,工作频率比较高。这样,既有工作频率的差别,又有送功率的差别,工作频率不同档次的电源变压器设计方法不一样.

高频电源变压器的设计原则

重性能和效率,有时可能偏重价格和成本。现在,轻、薄、短、小,成为高频电源的发展方向,是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器,更需要在这方面下功夫。所以高频电源变压器的“设计要点”,性能,成本,如果能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。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。要“节能又节钱”

产品成本,不但包括材料成本,生产成本,还包括研发成本,设计成本。因此,为了节约时间,根据经验,对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据,对窗口填充程度,绕组导线和结构推荐一些方案,不要按步就班地来回进行推算和仿真。设计原则是在具体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯一标准是设计出的产品能否实应住市场.

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。

1、使用条件

使用条件包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性。

可靠性是指在具体的使用条件下,高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。有些软磁材料,居里点比较低,对温度敏感。例如:锰锌软磁铁氧体,居里点只有215℃,其磁通密度,磁导率和损耗都随温度发生变化,故除正常温度25℃外,还要给出60℃,80℃,100℃时的各种参考数据。因此,将锰锌软磁铁氧体磁芯的工作温度限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升只允许低于60℃,相当于A级绝缘材料温度。与锰锌软磁铁氧体磁芯相配套的电磁线和绝缘件,一般都采用E级和B级绝缘材料,采用H级绝缘的三重绝缘电磁线和聚酰胺薄膜,成本增加,是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案,可以使体积减少1/2~1/3的缘故?本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器,如次级绕组采用三重绝缘线,能把体积减小1/2~1/3。

电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰,又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括音频噪声和高频噪声。高频电源高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源变压器的工作频率一致。因此,工作频率为100kHz左右的高频电源变压器,没有特殊原因是不会产生20kHz以下音频噪声的。10W以下单片开关电源的音频噪声频率,约为10kHz~20kHz,一定有其原因。由高频电源变压器本身产生的可能性不大,没有必要采用玻璃珠胶合剂粘合磁芯。

屏蔽是防止电磁干扰,增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播,在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施,只加外屏蔽带并不一定是最佳方案,因为它只能阻止辐射干扰,不能阻止传导干扰。

2、完成功能

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。在功率传送过程中,磁芯又分为磁通单方向变化和双方向变化两种工作模式。单方向变化工作模式,磁通密度从最大值Bm变化到剩余磁通密度Br,或者从Br变化到Bm。磁通密度变化值ΔB=Bm-Br。为了提高ΔB,希望Bm大,Br小。双方向变化工作模式磁通度从+Bm变化到-Bm,或者从-Bm变化到+Bm。磁通密度变化值ΔB=2Bm,为了提高ΔB,希望Bm大,但不要求Br小,不论是单方向变化工作模式还是双方向变化工作模式,变压器功率传送方式都不直接与磁芯磁导率有关。

第二种是电感器功率传送方式,原绕组输入的电能,使磁芯激磁,变为磁能储存起来,然后通过去磁使副绕组感应电压,变成电能释放给负载。传送功率决定于电感磁芯储能,而储能又决定于原绕组的电感。电感与磁芯磁导率有关,磁导率高,电感量大,储能多,而不直接与磁通密度有关。虽然功率传送方式不同,要求的磁芯参数不一样,但是在高频电源变压器设计中,磁芯的材料和参数的选择仍然是设计的一个主要内容。电压变换通过原边和副边绕组匝数比来完成。

不管功率传送是哪一种方式,原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比,只要不改变匝数比,就不影响电压变换。但是,绕组匝数与高频电源变压器的漏感有关。漏感大小与原绕组匝数的平方成正比。“对于一符合绝缘及安全标准的高频变压器,其漏感量应为次级开路时初级电感量的1%~3%:“在很多技术单上,标注着漏感=1%的磁化电感或漏感<2%的磁化电感等类似的技术要求。电源设计者应当根据电路正常工作要求,对所能接受的漏感值作一个数值限制。在制作变压器的过程中,应在不使变压器的其他参数(如匝间电容等)变差的情况下尽可能减小漏感值。就是尽可能减小漏感值。因为漏感值大,储存的能量也大,在电源开关过程中突然释放,会产生尖峰电压,增加开关器件承受的电压峰值,对绝缘不利,也产生附加损耗和电磁干扰。绝缘隔离通过原边和副边绕组的绝缘结构来完成。为了保证绕组之间的绝缘,必须增加两个绕组之间的距离,从而降低绕组间的耦合程度,使漏感增大。还有,原绕组一般为高压绕组,匝数不能太少,否则,匝间或者层间电压相差大,会引起局部短路。这样,匝数有下限,使漏感也有下限。总之,在高频电源变压器绝缘结构和总体结构设计中,要统筹考虑漏感和绝缘强度问题。

3、提高效率

提高效率是对电源和电子设备的普遍要求。提高高频电源变压器效率,可以节约电力。又具有环境保护的双重社会经济效益。因此,提高效率是高频电源变压器一个主要的设计要求,一般效率要提高到95%以上,损耗要减少到5%以下。高频电源变压器损耗包括磁芯损耗(铁损)和绕组损耗(铜损)。有人关心变压器的铁损和铜损的比例。这个比例是随变压器的工作频率发生变化的。如果变压器的外加电压不变,工作频率越低,绕组匝数越多,铜损越大。因此在50Hz工频下,铜损远远超过铁损。例如:50Hz,100kVAS9型三相油浸式硅钢电力变压器,铜损为铁损的5倍左右。50Hz,100kVASH11型三相油浸式非晶合金电力变压器,铜损为铁损的20倍左右。随着工作频率升高,绕组匝数减少,虽然由于趋表效应和邻近效应存在而使绕组损耗增加,但是总的趋势是铜损随着工作频率升高而下降。而铁损包括磁滞损耗和涡流损耗,随着工作频率升高而迅速增大。在某一段工作频率,有可能出现铜损和铁损相等的情况,超过这一段工作频率,铁损就大于铜损。造成铁损不等于铜损的原因.导线粗细的选择,虽然受趋表效应影响,但主要由高频电源变压器的传送功率来决定,与工作频率不存在直接关系。而且,选用非常细的漆包线作为绕组,反而会增加铜损,延缓铜损的下降趋势。说不定在设计选定的工作频率下,还有可能出现铜损等于铁损的情况。中小功率高频电源变压器的工作频率在100kHz左右,铁损已经大于铜损,而成为高频电源变压器损耗的主要部分。

正因为铁损是高频电源变压器损耗的主要部分,因此根据铁损选择磁芯材料是高频电源变压器设计的一个主要内容。铁损也成为评价软磁芯材料的一个主要参数。铁损与磁芯的工作磁通密度工作频率有关,在介绍软磁磁芯材料铁损时,必须说明在什么工作磁通密度下和在什么工作频率下损耗。用符号表示时,也必须标明PB/f〔式中工作磁通密度B的单位是T(特斯拉),工作频率f的单位是Hz(赫芝)〕。例如,P0.5/400表示工作磁通密度为0.5T,工作频率为400Hz时的损耗。又例如,P0.1/100k表示工作磁通密度为0.1T,工作频率为100kHz时的损耗。铁损还与工作温度有关,在介绍软磁磁芯材料铁损时,必须指明它的工作温度,特别是软磁铁氧体材料,对温度变化比较敏感,在产品说明书中都要列出25℃至100℃的铁损。软磁材料的饱和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限,常常是铁损限制了工作磁通密度的上限。所以,在新的电源变压器用软磁铁氧体材料分类标准中,把允许的工作磁通密度和工作频率乘积B×f,作为材料的性能因子,并说明在性能因子条件下允许的损耗值。新的分类标准根据性能因子把软磁铁氧体材料分为PW1,PW2,PW3,PW4,PW5等5类,性能因子越高的,工作频率越高,极限频率也越高。例如,PW3类软磁铁氧体材料,工作频率为100kHz,极限频率为300kHz,性能因子B×f为10000mT×kHz,即在100mT(0.1T)和100kHz下,100℃时损耗a级≤300kW/m(300mW/cm3),b级≤150kW/m3(150mW/cm3)。

在某一段工作频率下,高频电源变压器的绕组损耗(铜损)与铁损相接近时,例如,铜损/铁损=100%~25%范围内,铜损也不能忽视,也应当考虑采取措施来减少铜损。由于原绕组和副绕组承担的功率相近,往往在设计中取原绕组的铜损等于副绕组的铜损,以便简化设计计算过程,不能只强调依温升来设计高频电源变压器,由于热阻不容易准确确定,设计计算相当麻烦。因此,为了简化计算,有时根据经验预先推荐一些原则和数据是必要的。同样,为了简化计算,对不同工作频率,不同功率的高频电源变压器推荐不同的绕组电流密度,也是必要的,但不限于某一个电流密度值,例如,2A/mm2~3A/mm2。应当看到:实现高频电源变压器设计要求的方法并不限于一种,应当进行多种多样的探索.

4、降低成本

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。高频电源变压器的成本包括材料成本,制造成本和管理成本。设计是高频电源变压器降低成本的主要手段。高频电源变压器所用的材料和零部件的贵*和数量的多少?是否方便采购?是否要备有多少库存量?磁芯,线圈和总体结构的加工和装配工艺复杂还是简单?需要人工占的比例多大(实现生产过程的机械化和自动化,可以减少人工工时,更能保证产品的一致性和质量)?是否需要工模具?质量控制中需要检测的工序和参数:哪些参数要在加工过程中检测?哪些参数要在出厂试验中检测(出厂试验的参数应选择能决定性能的关键参数,数量不要多,以便能即时判断产品质量。)?哪些参数要在型式试验中检测?要用什么检测仪器和设备,价格如何?等等,都是由设计来决定的。因此,高频电源变压器的设计者除了要了解高频电源变压器的理论和设计方法而外,还要了解各种软磁材料和磁芯的性能和价格,各种电磁线的性能和价格,各种绝缘材料的性能和价格;还要了解磁芯加工热处理工艺,线圈绕制和绝缘处理工艺及变压器组装工艺;还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备;还要了解生产管理的基本知识以及高频电源变压器的市场动态等等。只有知识全面的设计者,才能设计出性能好,成本低的高频电源变压器产品。降低成本是促进高频电源变压器技术发展的一种推动力。为什么轻、薄、短、小成为高频电源变压器的发展方向?原因之一是这样既能降低材料成本,又能降低制造成本。提高工作频率,可以使高频电源变压器的重量和体积下降。但是,要克服高频带来的负面影响,必须采用新的软磁材料和导电材料并增加抑制高频电磁干扰的措施,因此,对具体使用条件下的高频电源变压器究竟选用多高的工作频率?要在综合考虑性能和总体成本后决定。提高效率,降低损耗发生的热量,可以减少高频电源变压器散热的表面积,从而使体积和重量下降。但是,降低损耗必须采用新材料和新工艺。因此,对具体使用条件下的高频电源变压器究竟达到多高的效率?也要在综合考虑性能和总体成本后决定。

高频电源变压器的设计程序

高频电源变压器的设计程序,包括磁芯材料,磁芯结构,磁芯参数,线圈参数,组装结构和温升校核等内容。下面分别进行讨论。

磁芯材料

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。许多有关高频电源变压器的论文,专著和教材,只针对软磁铁氧体进行讨论,而对其他软磁材料有时说明一下,有时只字不提。而且究竟选择哪一类软磁铁氧体,也不加以说明,好象大家都知道。和任何软磁磁芯材料一样,软磁铁氧体有自己的优缺点。软磁铁氧体的优点是电阻率高、交流涡流损耗小,价格便宜,易加工成各种形状的磁芯。缺点是工作磁通密度低,磁导率不高,磁致伸缩大,对温度变化比较敏感。因此,有些高频电源变压器并不适合选择软磁铁氧体。例如,工作频率比较低(50kHz以下),功率比较大的高频电源变压器,如果选择软磁铁氧体,由于工作磁通密度低,用材料多,磁芯体积大,加工困难,易碎,成品率不高,显不出价格便宜的优势。又例如,工作频率高(500kHz以上),功率比较小的高频电源变压器,磁芯重量和体积本来都小,如果选择软磁铁氧体,必须用PW4、PW5类材料,价格也不便宜,与其他软磁材料相比,磁芯价格基本相当,有时反而由于体积大,而处于不利地位。即使在适合于软磁铁氧体的工作频率范围内,也要对选择哪一类软磁铁氧体更能全面满足高频电源变压器的设计要求,进行认真考虑,才可以使设计出来的高频电源变压器达到比较理想的性能价格比。

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: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。漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不需要气隙,则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯,特别是工作频率高的电源变压器,因为,有一点漏感,就容易产生比较大的漏阻抗。封闭磁芯的磁通基本上集中在磁芯里面,漏磁小。同时,不论外界干扰磁场从哪个方向侵入,都在磁芯中分为两个方向通过,产生的干扰互相抵消。但是,封闭磁芯绕线困难,且环形磁芯散热要通过线圈,而且内层引出线也要穿过线圈引出,故必须加强绝缘。不封闭磁芯绕线容易,磁芯散热面大,可直接散热,引出线也容易。装线圈的磁路部分为圆柱形截面,减少平均匝长,降低损耗。矮胖圆柱形磁芯的漏磁和漏感比瘦高圆柱形磁芯大,一个原因是胖,圆柱形大,漏磁辐射面大;另一个原因是矮,上下两磁轭距离近,容易形成漏磁通的路径。不封闭磁芯中的气隙大小和位置与漏磁和漏感有密切关系。在保证完成功能所需的气隙条件下,尽可能减少气隙尺寸。因为,气隙尺寸增大,不但增加漏磁和漏感,还减少等值磁导率,增加激磁功率,对高频电源变压器工作不利。另外,气隙的位置最好处于线圈的中间部位,可以起到减少气隙漏磁通的作用。窗口面积的大小与线圈发热损耗和散热面积有关。窗口面积大,绕的电磁线截面大,电阻小,损耗小,发热小。同时,线圈外形尺寸大,散热面积也大。一般在留足工艺需要的窗口面积以后,希望尽可能把窗口面积绕满。如果不能充分利用窗口面积,将会造成磁芯尺寸和变压器外形尺寸不必要的增大,有可能要增加材料成本。因此,在高频电源变压器磁芯结构设计中,对窗口面积的大小,要综合考虑各种因素后来决定。线圈和磁芯既然不是一个整体,必须分别用夹件固紧,才能保证各自的机械稳定性。同时,为了保证足够的绝缘距离,线圈两端和绕组之间都必须留有气隙,不可能用绕组填满整个窗口。为了防止高频电源变压器从里向外和从外向里的电磁干扰,有些磁芯结构在窗口外面有封闭和半封闭的外壳。封闭外壳屏蔽电磁干扰作用好,但散热和接线不方便,必须留有接线孔和出气孔。半封闭外壳,封闭的地方起屏蔽电磁干扰作用,不封闭的地方用于接线和散热。窗口完全开放,接线和散热方便,屏蔽电磁干扰作用差。

磁芯参数

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。对变压器功率传送方式的磁通单方向变化工作模式,ΔB=Bm-Br,既受饱和磁通密度限制,又更主要地是受损耗限制。但是单方向变化的高频电源变压器工作时,沿局部磁滞回线来回变化,磁芯损耗比双方向变化沿大的磁滞回线来回变化小,只有它的30%~40%。而材料测试时是按正弦波双向激磁条件下变化的ΔB为2Bm进行的。因此,Bm可以取材料测试损耗值时,选取的B值高一倍以上。Br受材料磁滞回线上的Br限制,可以用开气隙的办法来降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB。虽然开气隙后,激磁电流有所增加,但增大ΔB后可以减少磁芯体积,还是值得的。对变压器功率传送方式磁通双方向变化工作模式,ΔB=2Bm,工作的磁滞回线包围的面积比局部回线大得多,损耗也大得多,Bm主要受损耗限制,在双方向变化工作模式中,还要注意由于各种原因造成激磁的正负变化的伏秒面积不相等,而出现直流偏磁问题。可以在磁芯磁路中加一个小气隙,或者在电路设计时加隔直流电容,或者采用电流型控制来解决。对电感器功率传送方式,磁导率是有气隙后的等值磁导率,一般都比磁化曲线测出的磁导率小。可以在确定磁芯结构后,直接测试它边线圈参数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。原绕组匝数根据外加激磁电压或者原绕组激磁电感(储存能量)来决定,匝数不能过多,也不能过少。如果匝数过多,会增加漏感和绕线工时;如果匝数过少,在外加激磁电压比较高时,有可能使匝间电压降和层间电压降增大,而必须加强绝缘。副绕组匝数由输出电压决定。高频电源变压器主要用于高频开关电源。开关电源可以对输出电压进行调整,调整上限受允许的开关占空比限制。在从要求的负载电压计算变压器输出电压时,应考虑开关占空比,串联二极管压降和变压器的内阻抗压降。导线截面(直径)决定于绕组的电流密度。绕组损耗(铜损)占总损耗比例比较大时,推荐电流密度取2~4A/mm2,铜损占总损耗比例比较小时,推荐电流密度取8~12A/mm2,但是,要经过变压器温升校核后进行必要的调整。还要注意的是导线截面(直径)的大小还与漏感有关。在同样匝数下,导线截面直径增加,内层排列的匝数减少,层数增加。而漏磁场分布*近磁芯的内层大,外层小,与磁芯距离平方成反比例地衰减。这样,漏磁通大的内层交链的匝数减少从而使漏感下降。

1)如果原绕组电压高(例如220V),副绕组电压低,可以采用副绕组*近磁芯,接着绕反馈绕组,原绕组在最外层的绕组排列形式,这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排;

2)如果要增加原和副绕组之间耦合,可以采用一半原绕组靠近磁芯,接着绕反馈绕组和副绕组,最外层再绕一半原绕组的绕组排列形式,这样有利于减少漏感。

绝缘安排首先要注意使用的电磁线和绝缘件的绝缘材料等级,要与磁芯和绕组允许的工作温度相匹配。等级低,满足不了耐热要求,等级过高,会增加不必要的材料成本。其次,对在圆柱形磁路上绕线的线圈,最好采用线圈骨架,既可以保证绝缘,又可以简化绕线工艺。还有,线圈最外层和最里层,高压和低压绕组之间都要加强绝缘。如果一般绝缘只垫一层绝缘薄膜,加强绝缘应垫2~3层绝缘薄膜。

组装结构

高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯,都采用卧式组装结构,上下表面比较大,有利于散热或者附加散热器,高度低,有利于安装在印刷电路板上。组装结构中采用的夹件和接线端子等尽量采用标准件,以便于外协加工,降低成本。

温升校核

温升校核可以通过计算和样品测试来进行。一般通过样品试验进行温升核算的比较多一些。如果样品试验温升不超过允许温升,可以通过。但是试验温升低于允许温升15℃以上,要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当增加电流密度和减少导线截面。如果样品试验温升超过允许温升,则要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当减少电流密度和增加导线截面。如果增加导线截面,窗口绕不下,要增加磁芯尺寸。如果样品试验磁芯温升超过允许温升,则要增加磁芯的散热面积,加大磁芯。

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。  高频电源变压器设计也有目标,设计的目标是实现设计原则,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。

高频电源变压器的设计方法也不只一种。不管采用哪一种设计方法,只要能实现设计原则,则该种设计方法就不能说是概念错误的。

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围观 93

占空比是脉冲宽度调制(PWM)开关电源的调制度,开关电源的稳压功能就是通过自动改变占空比来实现的,开关电源的输出电压与占空比成正比,开关电源输出电压的变化范围基本上就是占空比的变化范围。由于开关电源输出电压的变化范围受到电源开关管击穿电压的限制,因此,正确选择占空比的变化范围是决定开关电源是否可靠工作的重要因素;而占空比的选择主要与开关电源变压器初、次级线圈的匝数比有关,因此,正确选择开关电源变压器初、次级线圈的匝数比也是一个非常重要的因素。

占空比

占空比一般是指,在开关电源中,开关管导通的时间与工作周期之比,即:

“”

式中:D为占空比,Ton为开关管导通的时间,Toff为开关管关断的时间,T为开关电源的工作周期。对于一个脉冲波形也可以用占空比来表示。

“”

在反激式开关电源中,开关管导通的时候,变压器次级线圈是没有功率输出的,D1、D2有下面关系:

“”

开关变压器初次级线圈的输出波形

“”

图是输出电压为交流的开关电源工作原理图。为了便于分析,我们假说变压器初次级线圈的变压比为1:1(即N1=N2,L1=L2),当开关K又导通转断开时,变压器初级、次级线圈产生感应电动势为:

“”

(3)式中:iu为变压器初级线圈的励磁电流,由此可知,变压器初、次级线圈产生的反电动势主要是由励磁电流产生的。我们从(2)可以看出,当变压器初、次级线圈的负载电阻R很大或者开路的情况下,变压器初、次级线圈产生的感应电动势峰值是非常高的,如果这个电压直接加到电源开关管两端,电源开关管一定会被击穿。为了便于分析,我们引进一个半波平均值的概念,我们把Upa、Upa-分别定义为变压器初、次级线圈感应电动势正、负半周的半波平均值。半波平均值就是把反电动势等效成一个幅度等于Upa或Upa-的方波,如图中的Upa-所示。

“”

反激式变压器初次级线圈的输出波形

“”

图为反激式开关电源的工作原理图,图为反激式开关电源变压器初、次级线圈的波形(N1=N2时)。图中的Ui、uL1、uL2、Up、Upa、Upa-、Ua、Ua-等前面都已经介绍过,图中只多了一个整流滤波输出电压Uo。所谓反激式开关电源,就是电源开关管导通时,开关电源无功率输出,仅在电源开关管截止时才有功率输出。在反激式开关电源中,由于整流二极管以及储能滤波电容的作用,它会把变压器初、次级线圈产生的反电动势进行平均,使峰值脉冲电压Up(Up-)被平均成半波平均值Upa(Upa-),这相当于限幅的作用,因为充满电的电容相当于一个电压等于Uo的电池。这种限幅作用是假说开关电源变压器初、次级线圈没有漏感的情况下才能成立。

占空比的选择和计算

1.图中uL1为变压器初级线圈N1产生的反电动势,蓝、红色箭头分别表示开关接通和关断时,感应电动势的方向。

2.图4b蓝色为开关接通时变压器初级线圈N1产生的感应电动势波形;红色为开关关断时N1产生的感应电动势波形。

在图中,由于变压器存储的能量和释放的能量相等,所以蓝色波形的面积等于红色波形的面积。

即:

Upa-×Ton=Upa×Toff

Ui×Ton=Upa×Toff

把占空比:待入上式就可以求得:

Upa=(Ui+Upa)×D………(4)

该式就是我们用来选择和计算占空比D的关系式。

由图中可以看出,(4)式括弧中的值(Ui+Upa)正好就是电源开关管两端的电压,电源开关管的耐压有限,因此,开关电源的最大占空比要受到电源开关管的最高耐压BVm值的限制。

在实际应用中,由于变压器初级线圈的漏感是不能忽视的,因为,这个漏感产生的反电动势不能通过次级整流滤波电路对其进行限幅。从(2)式可知,这个反电动势的峰值非常大。因此,在变压器初级线圈回路中还要另设一个限幅电路。

“”

图中L0为变压器初级线圈的漏感(一般为5~10%,与初次级线圈的绕法有关),L0产生的反电动势会迭加在初级线圈L1产生的半波平均值电压上。通过D1、C1、R1的作用可以对L0产生的反电动势进行限幅,其半波平均值的大小,可以通过调整R1和C1的大小来改变,使之不要超过L1产生的半波平均值的5%。

如果把漏感L0产生的反电动势也一起进行考虑,当输入电压为最大值时,上面(4)式应该改写为:

Upm=(Uim+Upm)Dmax……………(5)

(5)式中,Upm为变压器初级线圈产生感应电动势的最大峰值,当采用限幅电路之后,Upm的值就等于初级线圈L1和L0分别产生反电动势的半波平均值之和。此值与漏感大小有关,Upm大约比无漏感时的Upa大5~8%。如果把上式括弧(Uim+Upm)中的值换成BVm,则(5)式又可以改写为:

Upm=BVm×Dmax…………(6)

(6)式中,BVm=(Uim+Upm),为电源开关管的最高耐压,Dmax为:当输入电压为最大值(Uim),且改变占空比使电源开关管两端电压达到最高耐压值时,此时占空比所能达到的最大值,即极限值。

值得指出的是:占空比是随着输入电压变化而变化的,当输入电压为最大值时,此时动态变化的D应该为最小值Dmin,但(6)式中的极限值Dmax则另有意义,它表示:当输入电压为最大值,且此时的占空比D也达到极限值Dmax时,电源开关管将会过压被击穿。因此,实际工作中的最小占空比Dmin应该比(6)式中的Dmax小好多,一般取Dmin=0.7Dmax较为合适。由此我们可以得出结论:

在设计反激式开关电源时,可根据(5)式和(6)式来计算占空比Dmax的最大值。

占空比计算举例

设计一个反激式开关电源,输入电压最大值为AC260V,假设,电源开关管的最大耐压为650V,求开关电源的最小占空比Dmin。

第一步,求极限占空比Dmax:

Upm=BVm×Dmax——(6)

已知:

Uim=260×1.414=368(V);

BVm=650V;

Upm=650-368=284(V)

把上面结果代入(6)式:Upm=BVm×Dmax得:

284=650×Dmax,即:Dmax=0.437

第二步,求最小占空比Dmin:

在实际应用中,为了安全,最小占空比Dmin最少要比极限占空比Dmax多留30%的余量,由此可求得:

Dmin=Dmax×0.7=0.437×0.7=0.306……(7)

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