电源基础知识——《开关电源中的变压器》

电源基础知识——《开关电源中的变压器》

电源变压器主要作用有两个:

• 通过原边侧和副边侧的匝比， 来方便有效地改变电压(或电流），大小:

，匝比方程

• 提供高压安全隔离:参见UL标准60950-1. 信息技术设备-安全-第1部分:通用要求等，本书第10章也会介绍到安规标准。

这些功能是通过使将两个或更多个单独的绕组与一个共同的磁芯耦合来实现的。施加到一个绕组的能量通过磁场耦合传递到其他绕组， 而绕组之间本身没有任何直接连接(这称为电流隔离或欧姆隔离)。

有两种不同类型的变压器:第一种是实时连续地将能量从原边传输到副边，而在变压器内部存储的能量极小，第二种则是首先将能量储存在磁场中，然后将能量传输到副边绕组。后一种类型通常被认为是 “反激式”变压器，尽管它仍然是在个共用的磁芯 上具有两个或更多绕组的变压器，但是从设计观点来看，看作为耦合电感器更好，因为是电感决定了随后从原边传输到副边所携带能量的大小。

两种类型的变压器都采用相同的原理图，如图3.16所示:

图3.16   双绕组变压器的原理图， 包含有原边和副边绕组，同时加上了漏感和磁化电感，而中间的垂直线表示这是非空心的磁芯

该示意图显示了具有NP匝的原边绕组以及具有NS匝的一个副边绕组。当然。这可能存在多个副边绕组，每个都可以有不同的输出电压，但是现在的讨论将局限于双绕组模型。匝比NP/NS表示每个绕组中的实际线圈匝数比，以及理想变压器中的原边和副边的电压比。

然而，实际应用中的变压器还包含一些寄生元件:与原边绕组并联的励磁电感LM.以及与原边绕组串联的漏感LL。磁化电感即代表用于建立磁耦合场的那部分输入能量，其值由原边匝数和磁芯特性确定。在传统的(工频)变压器中，其值非常高，所以在磁场循环中损失的能量是很小的。

在反激式变压器中，磁化电感是主要的储能元件，用于储存从原边传递到副边的所有能量。两种变压器的主要区别在于磁芯特性。常规变压器的磁芯将具有高磁导率，从而允许磁场快速建立，而反激变压器则具有低得多的磁导率，从而在一定的时间内允许在磁场中存储更多的能量。

在原理图中，变压器漏感与原边绕组是串联的。而实际上，它存在于原边绕组和副边绕组之间，并且是由它们之间的物理隔离产生的。这通常是一个相当小的值，但不是做不足道的。也要考虑其影响。它受变压器物理绕组方式的影响很大，如果将原边和刷边绕组首先绞合在一起然后缠绕在磁芯上， 这样漏感值将是最小的，但这通常不是一个很实际的方法(因为需要考虑到初副边绝缘要求)。但是为了安全所需要，各绕组之间必须增加电气绝缘，这样漏感会增加。并且如果主绕组和次绕组缠绕在磁芯上的位置相隔较远的话，则该值会变得非常大。

在传统的降压变压器中，原边侧漏感的影响更为严重，而在反激式变压器中，副边侧变得更为重要，特别是当有多个副边绕组时。漏感的物理效应表现为减缓或是延迟初次/级绕组电流的快速变化，所以当脉冲宽度调制信号通过变压器时，信号宽度会稍微变窄。在每个功率传输周期中，存储在磁化电感和漏感中的任何能量都必须复位归零，这样才能防止变压器饱和。

虽然变压器可以高效率工作，但在实际设计过程中仍然需要考虑其损耗，这些损耗可以分为两类，即绕组损耗和磁芯损耗，一般设计目标是使它们大致相等。绕组损耗是由导线的直流电阻引起的损耗，即为I²R和绕组中交流损耗构成，但开关频率增加时绕组中的交流损耗变得更加重要。而磁芯损耗是由磁场的作用引起的，很大程度上取决于磁芯的特性、磁通密度和开关频率。所有这些问题将在第七章(磁性元件设计)中更详细地介绍。

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