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[技术分享] 详解开关变压器工作原理及作用 [复制链接]

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发表于 2018-1-22 18:19:32 |显示全部楼层

“开关变压器”一般是指“开关电源”里面所用的变压器,工作在十几到几十千赫兹甚至几百千赫兹频率的脉冲状态下,铁芯一般采用铁氧体材料。开关电源变压器是加入了开关管的电源变压器,在电路中除了普通变压器的电压变换功能,还兼具绝缘隔离与功率传送功能一般用在开关电源等涉及高频电路的场合。

开关变压器作用

金籁科技高频变压器

开关电源变压器和开关管一起构成一个自激(或他激)式的间歇振荡器,从而把输入直流电压调制成一个高频脉冲电压。

起到能量传递和转换作用。在反激式电路中,当开关管导通时,变压器把电能转换成磁场能储存起来,当开关管截止时则释放出来。在正激式电路中,当开关管导通时,输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中。当开关管截止时,再由储能电感进行续 流向负载传递。

把输入的直流电压转换成所需的各种低压。

开关变压器工作原理

图片来自网络

对于开关电源,开关变压器的工作原理与普通变压器的工作原理是不同的。普通变压器输入的交流电压或电流的正、负半周波形都是对称的,并且输入电压和电流波形一般都是连续的,在一个周期之内,输入电压和电流的平均值等于0,这是普通变压器工作原理的基本特点;而开关变压器一般都是工作于开关状态,其输入电压或电流一般都不是连续的,而是断续的,输入电压或电流在个周期之内的平均值大多数都不等于0,因此,开关变压器也称为脉冲变压器,这是开关变压器与普通变压器在工作原理方面的最大区别。

除此之外,开关变压器对于输入电压来说,有单激式和双激式之分:对于输出电压来说,又有正激式和反激式之分。单激式和双激式开关电源,或正激式和反激式开关电源,它们使用的开关变压器,在工作原理方面也有很大的不同。

当开关变压器的输入电压为直流脉冲电压时,称为单极性脉冲输入,这种单极性脉冲输入的开关电源称为单激式变压器开关电源:当开关变压器的输入电压为正、负交替的脉冲电压时,称为双极性脉冲输入,这种双极性脉冲输入的开关电源称为双激式变压器开关电源;当变压器的初级线圈正在被直流脉冲电压激励时,变压器的次级线圈正好有功率输出,这种开关电源称为正激式变压器开关电源;当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时,变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出,而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出,这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

设开关变压器铁芯的截面为S,当幅度为U、宽度为τ的矩形脉冲电压施加到开关变压器的初级线圈上时,在开关变压器的初级线圈中就有励磁电流流过:同时,在开关变压器的铁芯中就会产生磁场,变压器的铁芯就会被磁化,在磁场强度为H的磁场作用下又会产生磁感应强度为B的磁力线通量,简称磁通,用“”表示:磁感应强度B或磁通φ受磁场强度H的作用而发生变化的过程,称为磁化过程。所谓的励磁电流,就是让变压器铁芯充磁和消磁的电流。

根据法拉第电磁感应定理,电感线圈中的磁场或磁感应强度发生变化时,将在线圈中产生感应电动势:线圈中感应电动势为:

U=NdΦ/dt=NSdB/dt(2-4)

式中,N为开关变压器的初级线圈的匝数:Φ=SB为变压器铁芯的磁通量;B为变压器铁芯的磁感应强度或磁感应强度平均值。

这里引进磁感应强度平均值的概念,是因为变压器铁芯中的磁通并不是均匀分布,磁感应强度与铁芯或铁芯截面上的磁通实际分布有关。因此,在分析诸如变压器的某些宏观特性的时候,有时需要使用平均值的概念,以便处理问题简单

从(2-4)式可知,当磁感应强度的变化以等速变化进行时,则可表示:

dB/dt=Ut/NS(2-5)

假定磁感应强度的初始值为B(0)=B。(t=0),当t》0时,磁感应强度以线性规律增长,磁感应强度以线性规律增长,即:

B=B。+Ut/NS(2-6)

当t=τ时,即时间达到脉冲的后沿时,磁感应强度达到最大值Bm=B(τ)磁感应强度增量(磁感应强度初始值和最终值之差)△B=B(τ)-B(0)=Bm-B0

当输入电压是一序列单极性矩形脉冲时,根据电磁感应定律,在变压器铁芯中将产生一个磁感应强度增量与之对应,即:

△B=Uτ/NS(2-7)

金籁科技高频变压器

如果能忽略涡流的影响,则磁场强度H的平均值取决于导磁体材料的性质。变压器初级线圈内的磁化电流的增长与H成正比。在特性曲线的直线段内磁场强度H、磁化电流和磁感应强度B都以线性变化。

脉冲电压作用结束后(t》τ),变压器中的磁化电流将按变压器的输出电路特性,即电路参数确定的规律下降,变压器铁芯内的磁场强度和磁感应强度也相应减弱,此时,在变压器线圈内会产生反极性电压,即反电动势。

上面分析虽然都是以单极性脉冲输入为例,但对双极性脉冲输入同样有效:在方法上,只须把双极性脉冲输入看成是两个单极性脉冲分别输入即可。

开关变压器分单激式开关变压器和双激式开关变压器,两种开关变压器的工作原理和结构并不是完全一样的。单激式开关变压器的输入电压是单极性脉冲,并且还分正反激电压输出:而双激式开关变压器的输入电压是双极性脉冲,一般是双极性脉冲电压输出。

另外,为了防止磁饱和,在单激式开关变压器的铁芯中一般都要留气隙;而双激式开关变压器的铁芯磁感应强度变化范围相对来说比较大,一般不容易出现磁饱和现象,因此,一般都不用留气单激式开关变压器还分正激式和反激式两种,对两种开关变压器的技术参数要求也不一样:对正激式开关变压器的初级电感量要求比较大,而对反激式开关变压器初级电感量的要求,其大小还与输出功率有关。

双激式开关变压器铁芯的磁滞损耗比较大,而单激式开关变压器铁芯的磁滞损耗比较小。这些参数基本上都与变压器铁芯的磁化曲线有关。

本文由好电感 金籁造的金籁科技转载发表。


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