開關(guān)變壓器工作原理及作用

“開關(guān)變壓器”一般是指“開關(guān)電源”里面所用的變壓器，工作在十幾到幾十千赫茲甚至幾百千赫茲頻率的脈沖狀態(tài)下，鐵芯一般采用鐵氧體材料。開關(guān)電源變壓器是加入了開關(guān)管的電源變壓器，在電路中除了普通變壓器的電壓變換功能，還兼具絕緣隔離與功率傳送功能一般用在開關(guān)電源等涉及高頻電路的場(chǎng)合。

開關(guān)變壓器作用

開關(guān)電源變壓器和開關(guān)管一起構(gòu)成一個(gè)自激(或他激)式的間歇 振蕩器，從而把輸入直流電壓調(diào)制成一個(gè)高頻脈沖電壓。

起到能量傳遞和轉(zhuǎn)換作用。在反激式電路中， 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器把電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能儲(chǔ)存起來，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)則釋放出來。 在正激式電路中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓直接向負(fù)載供給并把能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能電感中。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，再由儲(chǔ)能電感進(jìn)行續(xù) 流向負(fù)載傳遞。

把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需的各種低壓。

開關(guān)變壓器工作原理

對(duì)于開關(guān)電源，開關(guān)變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理是不同的。普通變壓器輸入的交流電壓或電流的正、負(fù)半周波形都是對(duì)稱的，并且輸入電壓和電流波形一般都是連續(xù)的，在一個(gè)周期之內(nèi)，輸入電壓和電流的平均值等于0，這是普通變壓器工作原理的基本特點(diǎn);而開關(guān)變壓器一般都是工作于開關(guān)狀態(tài)，其輸入電壓或電流一般都不是連續(xù)的，而是斷續(xù)的，輸入電壓或電流在個(gè)周期之內(nèi)的平均值大多數(shù)都不等于0，因此，開關(guān)變壓器也稱為脈沖變壓器，這是開關(guān)變壓器與普通變壓器在工作原理方面的最大區(qū)別。

除此之外，開關(guān)變壓器對(duì)于輸入電壓來說，有單激式和雙激式之分：對(duì)于輸出電壓來說，又有正激式和反激式之分。單激式和雙激式開關(guān)電源，或正激式和反激式開關(guān)電源，它們使用的開關(guān)變壓器，在工作原理方面也有很大的不同。

當(dāng)開關(guān)變壓器的輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí)，稱為單極性脈沖輸入，這種單極性脈沖輸入的開關(guān)電源稱為單激式變壓器開關(guān)電源：當(dāng)開關(guān)變壓器的輸入電壓為正、負(fù)交替的脈沖電壓時(shí)，稱為雙極性脈沖輸入，這種雙極性脈沖輸入的開關(guān)電源稱為雙激式變壓器開關(guān)電源;當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出，這種開關(guān)電源稱為正激式變壓器開關(guān)電源;當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。

設(shè)開關(guān)變壓器鐵芯的截面為S，當(dāng)幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈上時(shí)，在開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就有勵(lì)磁電流流過：同時(shí)，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變壓器的鐵芯就會(huì)被磁化，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁力線通量，簡(jiǎn)稱磁通，用“”表示：磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通φ受磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過程，稱為磁化過程。所謂的勵(lì)磁電流，就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理，電感線圈中的磁場(chǎng)或磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

U=NdΦ/dt=NSdB/dt(2-4)

式中，N為開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的匝數(shù)：Φ=SB為變壓器鐵芯的磁通量;B為變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值。

這里引進(jìn)磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值的概念，是因?yàn)樽儔浩麒F芯中的磁通并不是均勻分布，磁感應(yīng)強(qiáng)度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實(shí)際分布有關(guān)。因此，在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時(shí)候，有時(shí)需要使用平均值的概念，以便處理問題簡(jiǎn)單

從(2-4)式可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化以等速變化進(jìn)行時(shí)，則可表示：

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

假定磁感應(yīng)強(qiáng)度的初始值為B(0)=B。(t=0)，當(dāng)t》0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度以線性規(guī)律增長(zhǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度以線性規(guī)律增長(zhǎng)，即：

B=B。+Ut/NS(2-6)

當(dāng)t=τ時(shí)，即時(shí)間達(dá)到脈沖的后沿時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值Bm=B(τ)磁感應(yīng)強(qiáng)度增量(磁感應(yīng)強(qiáng)度初始值和最終值之差)△B=B(τ)-B(0)=Bm-B0

當(dāng)輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度增量與之對(duì)應(yīng)，即：

△B=Uτ/NS(2-7)

如果能忽略渦流的影響，則磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平均值取決于導(dǎo)磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級(jí)線圈內(nèi)的磁化電流的增長(zhǎng)與H成正比。在特性曲線的直線段內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁化電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度B都以線性變化。

脈沖電壓作用結(jié)束后(t》τ)，變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性，即電路參數(shù)確定的規(guī)律下降，變壓器鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度也相應(yīng)減弱，此時(shí)，在變壓器線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生反極性電壓，即反電動(dòng)勢(shì)。

上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例，但對(duì)雙極性脈沖輸入同樣有效：在方法上，只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個(gè)單極性脈沖分別輸入即可。

開關(guān)變壓器分單激式開關(guān)變壓器和雙激式開關(guān)變壓器，兩種開關(guān)變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開關(guān)變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出：而雙激式開關(guān)變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。

另外，為了防止磁飽和，在單激式開關(guān)變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙;而雙激式開關(guān)變壓器的鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍相對(duì)來說比較大，一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此，一般都不用留氣單激式開關(guān)變壓器還分正激式和反激式兩種，對(duì)兩種開關(guān)變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣：對(duì)正激式開關(guān)變壓器的初級(jí)電感量要求比較大，而對(duì)反激式開關(guān)變壓器初級(jí)電感量的要求，其大小還與輸出功率有關(guān)。

雙激式開關(guān)變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關(guān)變壓器鐵芯的磁滯損耗比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)。