什么是高频变压器

2023-03-01
   1. 什么是高频变压器?   
高频变压器是作为开关电源最主要的组成部分,高频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,高频变压器可分为几个档次:10kHz- 50kHz、50kHz-100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、10MHz以上。传送功率比较大的情况下, 功率器件一般采用 IGBT(绝缘闸极双极性电晶体), 由于IGBT存在关断电流拖尾现象, 所以工作频率比较低;传送功率比较小的, 采用MOSFET(半导体场效电晶体), 工作频率就比较高。
   2. 高频变压器工作原理   
高频变压器是利用电磁感应原理,进行变换交流电压、电流和阻抗的器件,其中主要构件包含初级线圈、次级线圈、铁芯。

当初级线圈中通有交流电流时, 铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通, 使次级线圈感应出电压(或电流),在电源中作为升压、降压、隔离使用。

【线圈数和输出电压的关系图】:

QQ截图20161027141538.png

   3.变压器的符号:   

QQ截图20161027152635.png

   4、高频变压器的优点:   

QQ截图20161027141619.png

搭配直流升降压技术应用的高频变压器,一般切换频率至少都大于 10KHz 以上,而切换频率的最大值则受限于开关功率元件的耐热能力(BJT , MOSFET , IGBT)及铁芯材质之铁损大小,换句话说一切受限于材料所能忍受的温度,这类用于电源供应器里的变压器,其铁芯材质均改以铁氧体功率材料为主,一般通称为「高频变压器」

在用电量越高,输电距离越长的情况下,交流电力系统远胜出直流系统。

交流电力系统一般来说不是50Hz就是60Hz,只要是设计给50Hz/60Hz这种电源频率使用的变压器,就通称为『低频变压器』,一般都是配合电力系统在使用,也称之为电力变压器,其铁芯材质均以矽钢片为主。

频率由开关元件每秒的切换次数决定,故也称之为切换频率 fs,变压器输入电压相同时,提高切换频率可以降低圈数N、与缩小铁芯尺寸,而决定传输多少功率就已经决定导线线径,所以通常拉高切换频率都是为了降低圈数或降低铁芯体积,因此高频变压器的体积会远小于低频变压器的体积。

   5. 高频变压器设计原理 :

• 漏感,在高频变压器设计时,变压器的漏感是由于初级线圈和次级线圈之间,之间磁通没有完全耦合而造成的,线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈,因此产生漏磁的电感称为漏感;设计者,绕窗越宽,圈数越小,堆叠的层数越少,漏感就越减小,或是将初级与次级相互堆叠做抵销来降低漏感的产生,这种方式称三明治绕法

• 分布电容,变压器绕组线匝之间, 在同一绕组的上、下层间,或不同绕组之间, 绕组与遮罩层之间形成的电容称为分布电容;设计者,通常会将初级绕组放在最里层, 这样可使变压器初级绕组每一匝用线长度最短, 也有效地减小了初级绕组自身的分布电容,但三明治绕法会将寄生电容增大,效率降低,因此这也是设计者需要考量的。

• 因为开关电源中高频变压器传输的是高频脉冲方波信号。在传输的瞬变过程中, 漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压, 在顶部振荡, 造成损耗增加,这是为何在设计上会需要低漏感的主因,相反的,也有设计者利用漏感做侦测,因为不同的设计者,会有不同的需求与设计方式。

• 绝缘层胶带,在初级绕组与次级绕组之间通常会需要加绕(2-3)层绝缘胶带, 这样可减小初级绕组和次级绕组之间分布电容的电容量, 也增大了初级和次级之间的绝缘强度, 确保绝缘耐压的要求。

同常在1000V AC 胶带为1-2层,3000V AC 胶带会为2-3层。

• 屏蔽工艺,是为了能更有效的解决变压器的干扰问题,在绕组间或是铁芯的最外层加入导电铜箔,但一定要注意,绕组间使用的导电铜箔还接地,会增加热阻的产生,一般导电铜箔会在铁芯或线包最外层做接地。或可以在铁芯的最外层加上绝缘胶带,来增加屏蔽的效果。

• 绝缘与耐压,在高频变压器的设计上是关键。当耐压条件严苛的状况,或线架设计安全距离不够时,可以提高材料的耐压规格,或使用挡墙、胶带、套管、含浸等工艺,来增加初级与次级间的耐压或安全距离,或使用套管来确保镀锡时或与线包间的安全距离以是常用的方式。