《变压器和开关电源》课件

变压器与开关电源：基础与应用欢迎参加《变压器与开关电源》课程！本课程将深入探讨变压器的基本原理、结构特点以及在现代电子系统中的应用，特别是在开关电源领域的关键作用。我们将从基础理论到工程实践，全面介绍这一电气工程核心技术。变压器的定义与作用变压器是利用电磁感应原理工作的静止电气设备，主要功能包括：交流电压的升高或降低转换电气隔离，保障使用安全阻抗匹配，优化电能传输效率变压器基础原理电磁感应原理变压器工作基于法拉第电磁感应定律：导体中的感应电动势与穿过导体的磁通量变化率成正比。初级线圈通电初级线圈通入交流电流后，在铁芯中产生交变磁通。互感耦合变压器工作过程工作过程详解交流输入初级绕组接入交流电源，产生交变电流磁通变化铁芯中形成交变磁通，穿过所有绕组感应电动势次级绕组产生感应电动势，实现能量转换理想与实际变压器理想变压器假设绕组电阻为零，无铜损铁芯磁导率无穷大，无铁损初次级完全耦合，无漏磁忽略电容效应及杂散电阻实际变压器特性存在铜损（I²R损耗）铁损（磁滞损耗和涡流损耗）漏磁通导致能量损失变压器的基本结构E型铁芯常用于小型电源变压器，装配简单，成本低，但磁通密度分布不均C型铁芯两个C型铁芯组合，磁路对称，漏磁小，常用于精密仪器环型铁芯闭合磁路，漏磁极小，高频性能好，广泛用于高频变压器主要性能参数额定容量变压器的额定视在功率(VA或kVA)，表示变压器的最大输出能力。例如：10kVA变压器可长期提供10kVA的输出功率而不过热。额定电压变压器原副边的标称工作电压，如220V/24V表示输入220V，输出24V。这是变压器设计和选用的基本参数。额定电流变压器原副边的最大允许电流值，超过此值会导致过热。电流与容量和电压相关：I=S/U。励磁电流空载时初级绕组中流过的电流，用于在铁芯中建立磁场。通常为额定电流的3%-10%。空载损耗无负载时变压器的功率损耗，主要由铁损组成。反映铁芯材料品质和设计水平。短路损耗变比与极性变压比计算其中：U₁、U₂分别为初级和次级电压N₁、N₂分别为初级和次级绕组匝数I₁、I₂分别为初级和次级电流变比是变压器最基本的参数，决定了电压转换的比例。极性标注变压器的极性表示初、次级电压的相位关系：同极性：初、次级电压同相位反极性：初、次级电压反相位极性标注通常用点号或字母标识，对电路连接至关重要。变压器的分类按用途分类电力变压器（输配电系统）仪用变压器（测量仪表）电子变压器（电子设备）特种变压器（如焊接变压器）按结构分类铁心式变压器线圈式变压器干式变压器油浸式变压器按相数分类单相变压器三相变压器多相变压器干式与油浸式变压器干式变压器冷却方式：自然空气冷却或强迫风冷优点：体积小、重量轻、环保、防火应用：商业建筑、医院、学校等室内场所容量范围：通常小于2500kVA油浸式变压器冷却方式：浸泡在绝缘油中冷却优点：散热效果好、绝缘性能高、容量大应用：户外变电站、大型工业设施容量范围：从小型到数百MVA常用电子变压器电源变压器将市电电压转换为电子设备所需电压，通常工作在50-60Hz，广泛应用于各类电子设备。脉冲变压器用于传输脉冲信号，保持波形完整性，常用于数字电路、触发电路和信号隔离。高频变压器工作在20kHz-2MHz频率范围，体积小、效率高，是现代开关电源的核心元件。电子变压器在设计上注重体积小型化、高效率和低损耗，常采用特殊磁芯材料以适应不同频率工作环境，是现代电子设备不可或缺的组成部分。变压器铁芯材料常用铁芯材料特性对比材料类型适用频率磁导率饱和磁通密度硅钢片50-400Hz中等高铁氧体10kHz-2MHz低-中等低非晶合金20Hz-100kHz高中等铁粉芯50kHz-5MHz低中等高频工作对材料要求低磁滞损耗低涡流损耗高电阻率适当的磁导率良好的温度稳定性磁滞回线与磁损耗磁滞回线(B-H曲线)展示了铁磁材料在交变磁场作用下的磁化特性。曲线包围的面积代表单位体积材料在一个周期内的磁滞损耗能量。主要损耗类型磁滞损耗铁磁材料磁化方向反复变化所消耗的能量，与频率成正比。涡流损耗交变磁场在导电材料中产生的感应电流损耗，与频率平方成正比。高频附加损耗高频下由于趋肤效应和邻近效应导致的导体有效电阻增加。漏感与等效电路变压器等效电路模型理想变压器等效电路仅包含理想变压比关系，而实际等效电路需考虑多种非理想因素：R₁、R₂：原副边绕组电阻X₁、X₂：漏感等效电抗Rc：铁芯损耗等效电阻Xm：主磁化电抗漏感影响漏感是变压器中未能与次级绕组耦合的磁通产生的自感，会导致：电压降落效率降低负载适应性变差高频下阻抗急剧增加在高频变压器设计中，漏感控制尤为重要。变压器空载与负载特性空载特性次级开路，无负载连接初级电流即励磁电流，通常很小电流波形非正弦，含高次谐波输入功率主要消耗在铁损上负载特性次级连接负载时的工作状态输出电压随负载增加略有下降电压调整率：满载与空载电压差的百分比负载性质（阻性、感性、容性）影响性能变压器的效率与温升效率计算其中：Pout：输出有功功率Pin：输入有功功率Ploss：总损耗（铁损+铜损）现代变压器效率通常在94%-98%之间，大型电力变压器效率可达99%以上。温升与散热变压器温升设计要点：合理选择绝缘材料温度等级提高散热面积与散热效率考虑环境温度与负载波动避免热点过热导致绝缘老化变压器绝缘与安全绝缘材料等级Y级：90°C（纸、棉、丝等）A级：105°C（浸漆纸、棉布等）E级：120°C（聚酯薄膜等）B级：130°C（云母、玻璃纤维等）F级：155°C（改性聚酯等）H级：180°C（硅树脂等）安规标准要求爬电距离(Creepage)：表面绝缘距离电气间隙(Clearance)：空气绝缘距离耐压测试：初级对次级，初次级对地泄漏电流限值绝缘电阻最小值安全认证：UL、CE、CCC等典型电力系统中的应用变压器在电力系统中的应用1发电厂升压变压器将发电机输出的中压电力(如10-20kV)升至超高压(如220-500kV)，便于远距离输送。2输电网变电站变压器在不同电压等级的输电网之间转换电压，如500kV降至220kV或110kV。3配电网配电变压器将中压电网(如10kV)电压降低至用户使用电压(400V/230V)。4工厂内部变压器针对不同设备需求提供各种电压等级，并实现电气隔离。电子设备中的应用音频放大器输出变压器将功放管的低阻抗输出匹配至扬声器的高阻抗，同时实现直流隔离。在高保真音响中，变压器的频率特性和失真控制至关重要。电源适配器小型高频变压器是充电器和适配器的核心，实现市电转换为电子设备所需低压直流电。现代适配器通常采用开关技术，变压器工作在几十至几百kHz。信号隔离与耦合在医疗设备、工业控制和通信系统中，变压器用于信号隔离，防止地环路和共模干扰，同时保障使用安全，特别是在患者接触的医疗设备中。变压器常见故障与检测常见故障类型机械故障铁芯松动、绕组变形、引线断裂等，表现为异常振动和噪声增大。热故障局部过热、绝缘老化、冷却系统失效，表现为温升异常和油质劣化。电气故障绝缘击穿、匝间短路、接地故障，表现为保护动作、输出异常。常用检测方法测试类型测量参数故障判断绕组电阻测试各相绕组直流电阻匝间短路、接触不良变比测试各抽头电压比匝数异常、接线错误绝缘电阻测试绕组对地、绕组间电阻绝缘老化、受潮介质损耗测试tanδ值绝缘性能劣化局部放电测试放电量内部绝缘缺陷开关电源概述开关电源定义开关电源(SMPS,Switched-ModePowerSupply)是利用现代电力电子技术，控制开关器件快速通断来调整输出电压的电源。与线性电源对比特性开关电源线性电源效率75%-95%30%-60%体积/重量小/轻大/重发热量低高输出纹波较高很低响应速度慢快电磁干扰高低设计复杂度高低开关电源的基本结构EMI滤波抑制输入干扰和输出噪声，保护设备和电网。整流滤波将交流电转换为脉动直流，为功率变换器提供输入。功率变换器核心部分，包含开关管、变压器和控制电路。输出整流滤波将高频脉冲转换为平滑直流输出。在开关电源中，高频变压器起着至关重要的作用，实现电气隔离、电压变换和多路输出。与传统工频变压器相比，高频变压器体积小、重量轻，但对磁芯材料和绕组设计要求更高。线性电源与开关电源对比线性电源特点工作原理：线性调整管作为可变电阻分压电路简单，成本低，可靠性高体积大，重量重，低效率（30%-60%）低噪声，适合精密仪器和音频设备开关电源优势工作原理：高频开关控制能量传输高效率（75%-95%），发热少体积小，重量轻，功率密度高输入范围宽，适应不同国家电网多路输出能力强，成本优势明显工作原理分析：AC-DC输入整流滤波市电（如220V/50Hz交流电）经过桥式整流器转换为脉动直流，再通过电容滤波平滑，形成约310V直流电压。高频DC-AC变换功率开关管（如MOSFET）在20kHz-2MHz频率下切换，将直流电转换为高频交流电，送入变压器初级。高频变压器隔离变换高频变压器根据变比将电压变换至所需水平，同时提供安全隔离，可实现多路输出。输出整流滤波次级高频交流经整流二极管和LC滤波电路转换为平滑直流输出，如5V、12V等。反馈控制采样输出电压，通过光耦等隔离方式反馈给控制电路，调整PWM信号占空比，稳定输出电压。工作原理分析：DC-DCDC-DC转换器类型1升压型(Boost)输出电压高于输入电压，能量储存在电感中，适用于电池供电设备。2降压型(Buck)输出电压低于输入电压，通过占空比控制，常用于CPU等低压供电。3反激式(Flyback)能量先储存在变压器中再释放到负载，适合多输出场合。4正激式(Forward)能量直接传递到负载，适合中大功率应用场合。主流拓扑结构1：反激式反激式工作原理反激式(Flyback)转换器是一种间接传输能量的拓扑结构。当开关管导通时，原边电流增加，能量储存在变压器磁芯中；当开关管关断时，储存的磁能通过次级绕组释放到负载。反激式特点电路简单，元件数量少变压器实际工作为电感+变压器磁芯需设计气隙，避免饱和初次级电流不同时导通输出纹波较大适合小功率场合(≤150W)可实现多路输出成本低，广泛应用于充电器、适配器主流拓扑结构2：正激式正激式特点直接传输能量，效率较高需复位电路防止磁芯饱和初次级可同时导通输出电感储能，纹波小适合中功率应用(100W-500W)元件应力较小动态响应好常用于服务器电源、工业电源正激与反激对比参数正激式反激式能量传递直接传递间接储存再传递变压器体积较小较大输出纹波小大电路复杂度较复杂简单主流拓扑结构3：推挽、半桥、全桥推挽式(Push-Pull)使用两个开关管交替工作，变压器初级中心抽头。优点是驱动简单，但开关管承受2倍输入电压，适合中等功率和低输入电压场合。半桥式(Half-Bridge)使用两个开关管和两个电容形成分压器，开关管只承受输入电压。元件利用率高，但控制复杂，适合中大功率应用。全桥式(Full-Bridge)使用四个开关管形成H桥，变压器利用率最高。控制最复杂但效率最高，适合大功率(>500W)应用，如服务器电源和工业电源。开关管器件选择参数MOSFETIGBTBJT适用频率高(>100kHz)中(5-30kHz)低(<20kHz)导通损耗中低高开关损耗低高中驱动功率低中高驱动复杂度简单中等复杂适用功率小中功率中大功率各种功率开关损耗来源导通损耗：I²R损耗，与RDS(on)和电流相关开关损耗：电压与电流重叠时产生的损耗栅极驱动损耗：充放电栅极电容消耗的能量反向恢复损耗：体二极管恢复时产生的损耗器件选择需综合考虑功率级别、工作频率、散热条件和成本等因素。高频变压器设计要求高频变压器与工频变压器的区别参数高频变压器工频变压器工作频率20kHz-2MHz50/60Hz磁芯材料铁氧体/铁粉芯硅钢片体积小大漏感要求极低较宽松分布电容影响显著忽略趋肤效应显著轻微关键设计考量磁芯尺寸与形状选择匝比设计与匝数计算气隙设计（特别是反激式）导线类型（实心/绞线/铜箔）绕组排列与层间绝缘温升与损耗控制漏感与分布电容最小化安规间距与绝缘要求磁材料影响锰锌铁氧体高磁导率(μr=1000-15000)，适用于20-300kHz频率范围，常用于大功率高频变压器。代表型号：TDKPC40、EPCOSN87、MAGNETICSR镍锌铁氧体中低磁导率(μr=10-1000)，适用于300kHz-10MHz，高频损耗低，常用于EMI滤波和高频变压器。代表型号：Fair-Rite61、TDKPC50铁粉芯低磁导率(μr=10-100)，分布气隙结构，饱和磁通密度高，储能能力强，常用于电感和PFC变压器。代表型号：Micrometals-26、-52不同应用场合应选择合适的磁芯材料。如大功率变压器通常选用锰锌铁氧体，而超高频应用则选择镍锌铁氧体。磁芯形状也多样化，包括EE、EI、EFD、RM、PQ、POT等，每种形状各有优缺点。高频变压器漏感控制漏感的危害产生开关尖峰，增加器件电压应力增加开关损耗，降低效率产生振铃，增加EMI干扰限制最大输出功率降低系统动态响应速度漏感控制方法1绕组技术优化采用交错绕制、并联绕组、扁平导线等方式增强初次级耦合。2减少磁通路径缩短平均匝长，减少绕组层数，选用低高度磁芯。3分段绕组技术将初级分成多段，与次级交错排列，显著改善耦合。4PCB绕组实现利用PCB多层板实现极低漏感和高精度重复性。开关电源的控制方式电压模式控制直接采样输出电压与参考电压比较，生成PWM信号控制开关管。结构简单，但对输入电压变化和负载变化响应较慢，抗干扰能力差。电流模式控制同时采样开关电流和输出电压，形成双环控制。响应速度快，具有自然的电流限制功能，但需要斜坡补偿以避免亚谐波振荡。同步整流技术用MOSFET替代输出整流二极管，大幅降低导通损耗。在低电压大电流输出场合效果显著，可提高1%-3%效率，但控制更复杂。EMI与EMC抑制EMI干扰类型传导干扰：通过导线传播辐射干扰：通过电磁波传播共模干扰：相对于地的干扰差模干扰：相对于相线的干扰EMI主要来源开关管高dv/dt变化整流二极管反向恢复变压器和电感的漏磁场PCB走线形成的天线效应地电位抬升和地环路EMI抑制技术源头控制降低开关速度、采用软开关技术、优化PCB布局。传播路径控制增加EMI滤波器、屏蔽变压器、使用共模扼流圈。接收端保护改善接地系统、增加屏蔽层、分离敏感电路。功率因数校正技术（PFC）PFC概述功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC)技术用于提高开关电源的输入功率因数，减少谐波电流对电网的污染，符合国际电源谐波标准(IEC61000-3-2)。无源PFC使用LC滤波器抑制谐波，结构简单但体积大，效果有限，功率因数通常仅达到0.7-0.8。有源PFC使用开关变换器主动控制输入电流波形，效果好，可实现0.99以上的功率因数，但成本高、电路复杂。有源PFC拓扑结构Boost型PFC：最常用，但输出电压高于输入峰值Buck型PFC：输出电压低，但输入电流不连续Buck-Boost型PFC：输出可高可低，但效率较低InterleavedPFC：多相并联，适合高功率应用各类保护电路过压保护(OVP)监测输出电压，超过阈值时关断主电路或启动保护电路。常用方式包括SCR箝位、MOSFET短路和控制IC关断。过流保护(OCP)监测电流大小，超限时采取措施保护电路。常见方式有周期限流、锁定关断和电流折返（降低输出电压）。短路保护(SCP)输出短路时迅速响应，避免损坏电源。可采用脉冲检测方式或完全关断方式，需考虑重启机制。过温保护(OTP)使用热敏电阻或温度传感器监测关键部件温度，超过安全阈值时关断电源或降低功率。欠压锁定(UVLO)当输入电压低于最低工作电压时，防止电源工作在不稳定状态，避免开关管工作在线性区导致过热。浪涌电流限制启动时限制输入电容充电的大电流，通常使用NTC热敏电阻或控制充电时序来实现。开关电源的主要性能指标90%效率现代开关电源效率通常达90%以上，高端产品可达95%以上。影响因素包括拓扑选择、元器件质量和设计优化。±1%静态稳定度输出电压在负载和输入电压变化时的稳定性。优质电源静态稳定度优于±1%，满足精密设备需求。50μs动态响应时间负载突变时输出电压恢复稳定所需时间。响应时间越短越好，高性能电源通常小于50μs。1%输出纹波输出电压中的交流分量，通常用峰峰值表示，一般要求小于额定输出的1%。10ms保持时间输入断电后，输出保持在规定范围内的时间。对于关键设备，长保持时间可防止瞬时断电导致的故障。85%功率因数输入视在功率与有功功率之比。高性能PFC电源可达0.99以上，减少对电网的污染和无功功率消耗。热管理与结构设计热管理关键点识别热点组件：开关管、整流管、变压器合理选择散热器尺寸与类型优化自然对流或强制风冷热阻计算与温升预测热敏组件隔离与热耦合优化热扩散平面(铜层)设计散热硅脂、绝缘垫片选择结构设计趋势紧凑型设计采用高密度封装元件，多层PCB设计，提高功率密度，如GaN技术可实现>1000W/in³。模块化设计将电源功能分解为功能模块，便于维护和升级，广泛用于高端服务器电源。散热创新导热管、液体冷却、相变材料等新技术应用，解决高密度设计散热挑战。开关电源的典型应用场景服务器与数据中心需要高效率(>94%)、高可靠性、热冗余和智能监控功能。典型输出为12V主轨和多个辅助电压，功率从500W到3000W不等。快速充电器采用高频技术大幅减小体积，输出电压可调(5V-20V)，功率从18W到200W不等。需要实现多种快充协议，如PD、QC等。LED照明驱动需要恒流输出特性，高PF值和长寿命设计。普遍采用非隔离或初级调整技术简化结构，功率从几瓦到数百瓦。小家电与电动工具需要成本优化和安全可靠性，多采用反激式结构。电动工具充电器需要多阶段充电控制算法。通信基站要求极高可靠性和宽温度范围工作能力，通常采用模块化冗余设计，输出多为-48V直流。医疗设备要求极低漏电流(<100μA)，高绝缘强度和严格的EMC性能，需通过特殊医疗安全认证。变压器在开关电源中的作用高频隔离提供输入与输出间的电气隔离，保证使用安全。变压器原副边间隔离电压通常需达到3000VAC以上，符合安规要求。电压变换根据匝比关系将高压降低至所需电压，或在特殊应用中将低压升高。变压器匝比设计是电源设计的核心环节。2多路输出通过多个副边绕组实现多组不同电压输出，满足系统多电压需求。各输出间的交叉调整率是重要指标。3能量存储在反激式拓扑中，变压器同时承担着能量存储功能，磁芯中的气隙用于储存能量，是设计关键点。高频变压器设计关键初次级绕组布线优化绕组排列方式可大幅降低漏感和分布电容：分层交错绕制扁平导线或箔绕组并联多股绞线减少趋肤效应PCB绕组实现精确控制三级绝缘技术安规认证变压器常采用三级绝缘结构：基本绝缘：漆包线基本绝缘辅助绝缘：绕组间绝缘胶带加强绝缘：三层绝缘线或绝缘套管EMC影响因素原边屏蔽层控制辐射副边反馈屏蔽绕组减少干扰磁芯接地降低共模噪声绕组端部处理减少电晕放电小型化/高效率趋势封装型变压器技术LTCC(低温共烧陶瓷)集成变压器平面磁芯+PCB绕组集成技术薄膜磁性材料沉积工艺多层PCB埋入式磁芯结构可实现高度仅2-4mm的超薄变压器新型功率器件推动GaN(氮化镓)：频率可达10MHz，RDS(on)低SiC(碳化硅)：高压高温应用，开关损耗低频率提高后变压器体积显著减小高频工作对变压器材料和结构提出新挑战驱动电路和寄生参数控制更加关键开关电源失效模式分析变压器失效案例某高频电源变压器反复击穿故障分析：故障现象：原副边隔离击穿，电源无输出原因分析：高频脉冲导致变压器原副边间产生局部放电，长期运行后累积损伤引发击穿解决方案：增加绝缘层数，优化绕组排列，增加爬电距离，选用更高耐压等级绝缘材料热失效案例服务器电源在高温环境下过温保护频繁动作：故障现象：环境温度超过35°C时电源自动关闭原因分析：散热设计余量不足，变压器磁芯损耗随温度升高而增加，形成正反馈解决方案：更换低损耗磁芯材料，优化散热通道，增加风扇转速控制策略诊断与维修要点使用热像仪定位热点，找出潜在故障点测量关键点波形，与正常波形对比检查保护电路是否正常工作更换故障元件时注意选用同等或更高规格产品工程案例分析1：手机充电器设计要求输入：AC100-240V,50/60Hz输出：DC5V/2A,10W体积要求：小于35×35×18mm效率要求：>85%安规认证：UL/CE/CCC变压器设计参数拓扑：准谐振反激式工作频率：65-130kHz(准谐振)磁芯：EE10/5/5,PC40材料初级：0.15mm×30T次级：0.3mm×5T辅助：0.1mm×8T绝缘：三层绝缘胶带+套管变压器体积：<1cm³关键技术点1准谐振技术利用漏感和MOSFET输出电容谐振实现零电压开通，降低开关损耗。2集成控制器采用高集成度控制芯片减少元件数量，如PowerIntegrations芯片。3PCB优化双面PCB设计，关键环路面积最小化，屏蔽层减少EMI辐射。工程案例分析2：服务器电源设计要求输入：AC90-264V,47-63Hz输出：主路12V/100A，辅路3.3V/10A,5V/10A总功率：1500W效率要求：>94%(80PLUSPlatinum)功率因数：>0.99热设计：-10°C至50°C全功率工作变压器设计特点拓扑：PFC+LLC+同步整流主变压器：平面磁芯(PQ50/20)初级：铜箔+多层PCB次级：铜箔并联工作频率：250-400kHz多层磁芯与PCB设计服务器电源变压器采用创新设计方法：磁芯分层设计，减少磁路长度PCB内嵌绕组结构，降低漏感多层次PCB堆叠实现多输出热管连接磁芯与壳体散热特殊涂层增强表面耐压内置温度传感器实时监控此设计可将变压器温升控制在40°C以内，同时保持极低的漏感(小于200nH)。新兴技术趋势数字控制电源采用DSP或MCU替代传统模拟控制，实现复杂控制算法、自适应优化和故障诊断。数字控制使电源变得"智能"，可根据工作状态动态调整参数，提高效率和可靠性。智能监控与通信电源内置通信接口(如PMBus、I²C)，实现远程监控、参数调整和预测性维护。数据中心和工业电源利用此技术实现能源管理和负载优化，提高系统整体效率。模块化与集成化电源构建从分立元件向集成模块发展，如POL(PointofLoad)模块、电源砖(PowerBrick)。集成封装减少设计复杂度，缩短开发周期，提高功率密度和可靠性。绿色环保与能效标准能效标准要求80PLUS等级20%负载50%负载100%负载白牌(基础)80%80%80%铜牌(Bronze)82%85%82%银牌(Silver)85%88%85%金牌(Gold)87%90%87%白金(Platinum)90%92%89%钛金(Tita