1.6 高频功率变压器

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我们讲第七小节 高频功率变压器 高频功率变压器 它是由磁芯跟两个绕组构成的 那么受电的一方也就是说激励的一方 我们叫做原边 输出的一方叫做副边 Primarily 跟 Secondary 那么根据电磁感应定律 受电的电压VP是等于NP乘上磁通的导数 输出的电压呢是等于NS乘上 ΦS 的导数 如果我这个磁芯这个变压器耦合的很好 也就是说没有漏磁 那么这时候呢Φp就等于ΦS 因此带进来就可以得到 US/NP会等于NS除NP 那么把它叫做匝比 叫做变压器的变比 就是N 这是一个电压方程 那同样根据安培环路定律 也就说 ip np 减掉 IS NS 这里为什么减呢 因为原边电流是进入同名端 副边电流这个方向呢是出同名端 所以呢这两个是相减的 它要等于什么呢 它等于磁芯的磁压降 也就是说 H 乘上 LC 那么这个呢就是等于磁阻是吧 等于磁阻 H就等于 ΦI 除上AC再除上uc 那么就是磁阻跟磁通的乘积 如果我的磁阻接近于零 很小 那么这一相呢就等于0 所以说我们能得到IS比IP 是等于NP比NS那么它等于N分之一 这上面这个是电压方程 底下这个是电流方程 那么这就构成了我们 理想电路变压器的一个模型 那么中间这个呢就叫做理想变压器 N 呢叫做电压转换比 N 那么这就是一个理想变压器模型 那么变压器在我们开关电源里面干什么用 它主要是有两个作用 一个是变压 它是通过原副边的匝比 来改变原副边的电压大小 但是它只能改变交流电压 而不能改变直流电压 因为直流电压不满足电磁感应定律 再一个作用呢就是隔离 因为我们电源里面要把 原边的电压都副边得负载隔离 那么所以它通过原副边的绝缘 来实现电气隔离 那么绝缘呢有两种类型的绝缘 一类是通过挡墙来隔离 也就是说我这边要留原边绕组 跟副边绕组之间除了要绕绝缘胶带以外 还要在我的端部要留下 一定距离的满足安规要求的 比如说四个毫米的一个绝缘的挡墙 那么一边四个毫米 两边呢来回呢就八个毫米 所以说呢它的中间部分 层间是靠绝缘胶带来满足安规的 那么端部部分呢是靠挡墙来满足安规的 但是这种做法呢它的空间占的比较大 尤其是当我的窗口高度比较小的时候 那么这个比例呢比如说四毫米你就跑不掉 所以呢就会占很大的空间 所以呢后来呢大部分就采用了叫做三层绝缘 也就是我的每个导体 每根线它表面有三层绝缘胶带 先谈谈绝缘 那当然这个不是胶带了 这是一种工艺 把它做上去做成三层 那么就保证了它原副边之间 有三层的绝缘距离 那么这叫做三层绝缘线 这时候呢它就靠它本身的绝缘来构成了 就不要用挡墙了 那么我的高度呢就会减小 那么这个是因为安规的要求 它必须要有三层绝缘 那么我们高频变压器的基本结构呢 主要是分成立式的 就是传统的卧式的或者 EFD 的这个结构的 卧式的跟平板式的 主要是这三种结构 那我们看看 前面讲的是理想变压器 那么实际上变压器是不可能理想的 尤其在高频里面 我们的变压器都是非理想变压器 那么实际的变压器磁路是什么样的 呢刚才我们只画了ΦM这个磁通 它是主磁通 它链过了原边绕组 同时呢它也链过了副边绕组 那么这就是主磁通 就跟我们前面的那个磁通是一样的 但是呢它原边有漏磁通 这里会漏掉 这部分磁通呢就没有链过副边了 蓝色的这一块 那同样粉色的这个磁通 它只链过副边 它没有链过原边 它是属于副边的漏磁通 所以我们根据我的 这个实际的变压器的磁路 把它变成这样结构 把原边的这部分能量所表现的漏感 放到原边绕组来 因为它跟副边无关了 它没有链过副边了 所以呢把它放在 LP 那么负边这个粉色的呢 把它放在副边来 这时候呢铁芯里面 只剩下一个ΦM这个磁通了 那第三步呢再把它做一个归一化 因为这两个匝比不一样 NP NS 匝比不一样 我把它都把它变成一就都归一化 或者都归一化到原边 也可以归一化到副边 那我这边都用 1 来表示归一化 那么这时候呢 IS 就变成一撇了 LS 变成一撇了 因为你匝比已经不一样了 这个就看你的这个需要 然后呢第四步呢 就把我这个激磁电感这一部分 这部分的ΦM它的能量储存 等效为一个激磁电感 LM 红色的这一部分 那么也把它放出来拿到外面来 那么这时候呢 这个变压器铁芯 就是完完全全理想的一个变压器 所以呢就把这三个元件拿出来 中间这个呢是理想的变压器 它是一个 1:1 的变压器 但是要记住这里 IS 是一撇了 LS 是一撇了 也就是说它做了一个归一化的处理 都归到原边去了 当然你也可以把它都归到副边去 那么这个起了一个 1:1 的作用 那么在电路里面 这两个是一样的是 1:1 的 所以呢我们会把它变成 这样的一个简化的电路 那么这个就是 LM 这就是 Lp 这就是 LS 当然了 LS 要折过来 那么就把我们的实际的变压器磁路 变成一个这样的一个等效的电路 那当然这里面就没有表现出隔离的作用了 因为我们这里是看它的电气特性 所以说我们漏感什么意思呢 漏感就是绕组间的漏磁链漏掉的 它吃掉了我们一部分的电压 那比如说我的原边电压加进来 它没有都转到副边去 漏感吃掉了一部分 或者说是没有被副边电压 感应到的那部分磁链 它就体现为绕组窗口空间 它所储存的磁能 在这个窗口里面所储存的磁能 那么激磁电感是什么意思呢 它是磁芯的磁压降 将它会吃掉什么 它会吃掉原边的电流 也就说原边在这么大电流 ip 流过去 它并没有全部到副边去 一部分呢拿来作励磁 从 LM 条支路呢跑掉了 所以它就是没有被副边电流 磁势平衡的磁压 那就体现为磁芯空间所储存的那部分磁能 那么总的磁能就是铁芯的磁能 跟绕组窗口的磁能 那么铁芯磁能体现为激磁电感 窗口的漏磁能 漏掉的这部分磁能体现为变压器漏感 那么这就是一个非理想变压器的模型 我们来看看变压器的等效电路 它有四个参数 原边漏感 副边漏感 激磁电感跟一个匝数的比值 根据二端口网络的理论 这四个参数里面 实际上只有三个是独立的 那这时候呢我们就可以确定三个 第一种方法我认为 N 是已知 把 N 把它设定为NS/NP 那么NS呢我副边绕两匝 原边绕五匝 那我就是 2/5 很简单 这时候呢 N 呢就认为是已知量 这时候就剩下三个变量 LPK LSK 跟 LM 这样的结构它的物理意义很明确 原边漏感 副边漏感 激磁电感 但是呢它不很适合于我们 电力电子电路的分析 因为它原边有漏感 副边也有漏感 所以说呢我们会采用这样的方式 也就是说我把副边的漏感 把它设成零 设成零并不表示副边就没有漏感 而是把副边漏感的作用 把它转移到原边来了 那就等效为这样的一个电路 这样的电路 它就剩下三个变量了 LK LPM 跟 N' 这时候这个 N' 就不见得会等于NS/NP了 因为你把漏感折过来了 那么这种电路呢它的物理意义不强 你说 LK 是什么呢 它是一个总的漏感 它也不是原边的 也不是副边的 是两个总的漏感 那这个 N' 是什么呢 它又不等于NP/NS的比值 它是一个等效的电压转换比 它的物理意义不强 但是呢它很适合我们电力电子电路分析 因为什么呢 我们的副边输出往往都连着是直流 那我副边没有漏感 那么我的副边电压 就会直接等于输出的直流电压 所以呢比较容易分析 那么这两个电路虽然说参数不一样 但是呢它的端口特性必须是等价的 所以呢它就有一个端口等效的概念 那么通过这三个方程 就可以把这端口呢等效出来了 对这个来说 LPK 加上 LM 就是原边的电感 对这个来说 原边电压等于什么 等于 LK 加上 LPM 所以建立起第一个方程 那第二个方程呢是原边通过电流 副边有多少电压 原边通过单位电流副边有多少电压 它等于什么呢 等于LM乘上N变成副边电压 对我这个来说呢 是 LPM 乘上 N' 就副边电压 得到第二个方程 那第三个方程呢是 副边看进来原边开路 这边往里看就等于 LSK 加上 LM 折到副边来平方 对吧 等于这个方程 然后这边呢是LPM N' 的平方 这两个要相等 端口要相等 所以就得到这三个方程 那么这三个方程就可以解出三个变量 不管你是已知的这三个去算这三个 还是已知了这三个去算这三个 它都可以算出来 那么这边呢就是 N' 就等于 N (1+α) 就是说这个 N' 就要变大了 那我们再来看看 变压器损耗模型怎么样 刚才我们只管它的电感特性 那么我们再来看看变压器损耗模型 变压器通上一个电流的时候 原边有电流 副边也有电流 副边也有电流 那么这时候呢原边就会有绕组的损耗 因为它有涡流效应 要有损耗 所以呢这一部分损耗 我们就把叫做原边的绕组损耗 那么副边呢一样有损耗 它是副边的绕组损耗 除此以外 由于存在着铁芯里面的磁通 它是交变的 那么就对应的有我们的磁滞损耗 有涡流损耗 这里统称为磁芯损耗 那么磁芯损耗它是跟磁通有关系的 也就是跟我激磁电感有关系的 所以呢我们就把它跟激磁电感 把它并联起来 那原边的这个电阻它是跟漏感串联 因为什么呢 它是跟电流有关的 这个损耗呢它是跟电压有关的 所以我们用一个并联的模型去表达它 那么 RM 就表示了磁芯损耗 RM 越大 磁芯损耗呢它是越小的 因为这个损耗是等于 V 平方除 R 所以损耗越大 RM 越小 当然这个是一个并联模型 我们也可以用一个串联模型来表示它 那么这两个呢只是一个等效的转换而已 所以说呢这样子一个模型呢 就是比较完整的一个 变压器损耗的参数把它放进去了 除此以外变压器还有电容特性 这边是漏感损耗 我的电压加在变压器的绕组上 那么这个电压呢 就会沿着我的每一个线圈每一匝在分布 所以说呢在变压器里面 线圈的每一闸都有电位 那么有电位导体之间就会有电容 就会储存能量 那么从这边看 这些每一匝电位的分布 这两闸电位差最小 这两匝呢电位差最大 所以这一部分储存能量呢就最多 这一部分呢就少 这部分就少 所以说呢跟原边相关的这个能量 就用一个电容来表达 它就表示原边绕组 所储存的电场能量这一部分 那么同样副边绕组 它们之间也储存能量 所以呢属于副边的分布电容 除此以外 原边的电压跟副边电压是不会一样的 它们不是 1:1 的关系 所以原边的电位 会在副边绕组上感应出电荷 这一部分电荷 那么这部分电荷一变化以后 就会造成原副边之间的位移电流 所以我们还用一个电容 把原边跟副边呢把它连起来 就表示原边的电压 会在副边中感应出多少电荷 那这个呢就造成了我们 共模噪声的一个分布电容的影响 那么这个电容具体是接在什么地方 因为变压器有四个端 具体是接在什么地方 那么现在我们先不要管它 等到我们讲到电磁兼容的时候 大家就很清楚 反正就是说 这个电容是跨在原副边之间的一个量 所以说到此为止 我们一个变压器 它的理想模型很简单 就这个 但是呢它的实际的模型是很复杂的 它涉及到损耗对应的电阻 涉及到磁场对应的电感 跟电场对应的电容 所以说我们说变压器呢它是高频磁场 电流场和电场的一个综合体 它比我们的半导体器件要更复杂 因为半导体器件主要关注的什么 它的电场跟电流 它比较少关注磁场 因为呢它的电流回路很短 它产生的磁场很小 但是呢它的电压很高很关键 它的驱动什么都是靠这个电压来驱动的 同时呢电流在我整个 IGBT 在我 MOS 管里面的流动 也决定了我的损耗 所以呢它有电阻参数 电容参数 但是呢它就没有电感参数 那么这个呢大家就把我们变压器的模型 把它看得很完整 就会从场的角度 从电磁场的角度去看一个变压器 它有这么复杂的一个东西 那么这一节就说到这里 谢谢大家
课程介绍 共计8课时,2小时24分4秒

电力电子磁技术基础

电感 变压器 软磁 气隙 非线性 磁路 高频功率 功率电感器 互感

磁性元件是电力电子功率变换器的关键器件之一,对变换器的效率、功率密度以及各项性能都有关键影响。功率变换器磁性元件的特点是工作于开关态高频大功率工况下,与传统处理强电功率的工频磁性元件以及处理弱电信号的电子类磁性元件相比,有自己的特点。本章将从电磁理论基础出发,结合功率变换器的应用特点,使读者对电力电子磁元件技术有初步的了解,为进一步深化相关内容学习播下种子。
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主讲人简介
Speaker:陈为教授 他于1987年和1990年分别在福州大学获得硕士和博士学位。从1996年11月至1998年12月,他曾在美国弗吉尼亚州弗吉尼亚理工大学CPES(电力电子系统中心)担任高级客座教授两年。1999年至2008年,他一直在台达电子有限公司担任台达元件研究中心技术副总监和上海台达电力电子中心研发经理。他是CPSS(中国电源学会)理事会的执行委员,并担任CPSS变压器和电感器专业委员会主席。他一直从事开关电源,几十年来更专注于磁性和EMI技术。他与台达,中兴,华为,伊顿,欧姆龙,LG,Schaffner等知名公司紧密技术合作。他发表了80多篇技术论文,其中包括21篇IEEE Transactions and Proceedings。他拥有来自中国和美国的20多项获得批准的专利。他的研究兴趣包括功率转换,高频功率磁性元件,EMI调试与解决方案,无线电力传输,电磁场分析与应用,电气开关设备等。
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