BOSHIDA電源模塊 電源基礎(chǔ)知識 開關(guān)電源中的變壓器

電源變壓器主要作用有兩個(gè):
通過原邊側(cè)和副邊側(cè)的匝比， 來方便有效地改變電壓(或電流），大小:
如上圖，匝比方程
提供高壓安全隔離:參見UL標(biāo)準(zhǔn)60950-1. 信息技術(shù)設(shè)備-安全-第1部分:通用要求等，本書第10章也會介紹到安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。
這些功能是通過使將兩個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)的繞組與一個(gè)共同的磁芯耦合來實(shí)現(xiàn)的。施加到一個(gè)繞組的能量通過磁場耦合傳遞到其他繞組， 而繞組之間本身沒有任何直接連接(這稱為電流隔離或歐姆隔離)。
有兩種不同類型的變壓器:第一種是實(shí)時(shí)連續(xù)地將能量從原邊傳輸?shù)礁边?，而在變壓器?nèi)部存儲的能量極小，第二種則是首先將能量儲存在磁場中，然后將能量傳輸?shù)礁边吚@組。后一種類型通常被認(rèn)為是 “反激式”變壓器，盡管它仍然是在個(gè)共用的磁芯 上具有兩個(gè)或更多繞組的變壓器，但是從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)來看，看作為耦合電感器更好，因?yàn)槭请姼袥Q定了隨后從原邊傳輸?shù)礁边吽鶖y帶能量的大小。
兩種類型的變壓器都采用相同的原理圖，如圖3.16所示:

該示意圖顯示了具有NP匝的原邊繞組以及具有NS匝的一個(gè)副邊繞組。當(dāng)然。這可能存在多個(gè)副邊繞組，每個(gè)都可以有不同的輸出電壓，但是現(xiàn)在的討論將局限于雙繞組模型。匝比NP/NS表示每個(gè)繞組中的實(shí)際線圈匝數(shù)比，以及理想變壓器中的原邊和副邊的電壓比。
然而，實(shí)際應(yīng)用中的變壓器還包含一些寄生元件:與原邊繞組并聯(lián)的勵(lì)磁電感LM.以及與原邊繞組串聯(lián)的漏感LL。磁化電感即代表用于建立磁耦合場的那部分輸入能量，其值由原邊匝數(shù)和磁芯特性確定。在傳統(tǒng)的(工頻)變壓器中，其值非常高，所以在磁場循環(huán)中損失的能量是很小的。
在反激式變壓器中，磁化電感是主要的儲能元件，用于儲存從原邊傳遞到副邊的所有能量。兩種變壓器的主要區(qū)別在于磁芯特性。常規(guī)變壓器的磁芯將具有高磁導(dǎo)率，從而允許磁場快速建立，而反激變壓器則具有低得多的磁導(dǎo)率，從而在一定的時(shí)間內(nèi)允許在磁場中存儲更多的能量。
在原理圖中，變壓器漏感與原邊繞組是串聯(lián)的。而實(shí)際上，它存在于原邊繞組和副邊繞組之間，并且是由它們之間的物理隔離產(chǎn)生的。這通常是一個(gè)相當(dāng)小的值，但不是做不足道的。也要考慮其影響。它受變壓器物理繞組方式的影響很大，如果將原邊和刷邊繞組首先絞合在一起然后纏繞在磁芯上， 這樣漏感值將是最小的，但這通常不是一個(gè)很實(shí)際的方法(因?yàn)樾枰紤]到初副邊絕緣要求)。但是為了安全所需要，各繞組之間必須增加電氣絕緣，這樣漏感會增加。并且如果主繞組和次繞組纏繞在磁芯上的位置相隔較遠(yuǎn)的話，則該值會變得非常大。
在傳統(tǒng)的降壓變壓器中，原邊側(cè)漏感的影響更為嚴(yán)重，而在反激式變壓器中，副邊側(cè)變得更為重要，特別是當(dāng)有多個(gè)副邊繞組時(shí)。漏感的物理效應(yīng)表現(xiàn)為減緩或是延遲初次/級繞組電流的快速變化，所以當(dāng)脈沖寬度調(diào)制信號通過變壓器時(shí)，信號寬度會稍微變窄。在每個(gè)功率傳輸周期中，存儲在磁化電感和漏感中的任何能量都必須復(fù)位歸零，這樣才能防止變壓器飽和。
雖然變壓器可以高效率工作，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中仍然需要考慮其損耗，這些損耗可以分為兩類，即繞組損耗和磁芯損耗，一般設(shè)計(jì)目標(biāo)是使它們大致相等。繞組損耗是由導(dǎo)線的直流電阻引起的損耗，即為I2R和繞組中交流損耗構(gòu)成，但開關(guān)頻率增加時(shí)繞組中的交流損耗變得更加重要。而磁芯損耗是由磁場的作用引起的，很大程度上取決于磁芯的特性、磁通密度和開關(guān)頻率。

審核編輯黃宇