高頻變壓器的詳細工作原理
王志軍整理
2023年3月27日
電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術中和電力電子技術中得到廣泛的應用。根據傳送功率的大小，電源變壓器可以分為幾檔：10kva以上為大功率，10kva～0.
5kva為中功率，0.5kva～25va為小功率，25va以下為微功率。傳送功率不同，電源變壓器的設計也不一樣，應當是不言而喻的。
有人根據它的主要功能是功率傳送，把英文名稱「power transformers」譯成「功率變壓器」，在許多文獻資料中仍然在使用。究竟是叫「電源變壓器」，還是叫「功率變壓器」好呢？有待於科技術語方面的權威機構來選擇決定。
同乙個英文名稱「power transformer」，還可譯成「電力變壓器」。電力變壓器主要用於電力輸配系統中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用，原邊電壓為6kv以上的高壓，功率最小5kva，最大超過上萬kva。電力變壓器和電源變壓器，雖然工作原理都是基於電磁感應原理，但是電力變壓器既強調功率傳送大，又強調絕緣隔離電壓高，無論在磁芯線圈，還是絕緣結構的設計上，都與功率傳送小、絕緣隔離電壓低的電源變壓器有顯著的差別，更不能將電力變壓器設計的優化設計條件生搬硬套地應用到電源變壓器中去。
電力變壓器和電源變壓器的設計方法不一樣，也應當是不言而喻的。 高頻電源變壓器是工作頻率超過中頻（10khz）的電源變壓器，主要用於高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器，也有用於高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源變壓器的。按工作頻率高低，可分為幾個檔次：
10khz～50khz、50khz～100khz、100khz～500khz、500khz～1mhz、1mhz以上。
傳送功率比較大的，工作頻率比較低；傳送功率比較小的，工作頻率比較高。這樣，既有工作頻率的差別，又有傳送功率的差別，工作頻率不同檔次的電源變壓器設計方法不一樣，也應當是不言而喻的。 如上所述，作者對高頻電源變壓器的設計原則、要求和程式不存在錯誤概念，而是在2023年7月初，閱讀《電源技術應用》2023年第6期特別推薦的2篇高頻磁性元件設計文章後，產生了疑慮，感到有些問題值得進一步商討，因此才動筆寫本文。
正如《電源技術應用》主編寄語所說的那樣：「具體地分析具體的情況」，寫的目的，是嘗試把最難詳細說明和選擇的磁性元件之一的高頻電源變壓器的設計問題弄清楚。如有說得不對的地方，敬請幾位作者和廣大讀者指正。
2 高頻電源變壓器的設計原則高頻電源變壓器作為一種產品，自然帶有商品的屬性，因此高頻電源變壓器的設計原則和其他商品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求效能**比最好。有時可能偏重效能和效率，有時可能偏重**和成本。現在，輕、薄、短、小，成為高頻電源的發展方向，是強調降低成本。
其中成為一大難點的高頻電源變壓器，更需要在這方面下功夫。所以在高頻電源變壓器的「設計要點」一文中，只談效能，不談成本，不能不說是一大缺憾，如果能認真考慮一下高頻電源變壓器的設計原則，追求更好的效能**比，傳送不到10va的單片開關電源高頻變壓器，應當設計出更輕、薄、短、小的方案來。不談成本，市場的價值規律是無情的！
許多效能好的產品，往往由於**不能為市場接受而遭冷落和淘汰。
往往一種新產品最後被成本否決。一些「節能不節錢」的產品為什麼在市場上推廣不開值得大家深思。 產品成本，不但包括材料成本，生產成本，還包括研發成本，設計成本。
因此，為了節約時間，根據以往的經驗，對高頻電源變壓器的鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊和副邊繞組損耗比例、電流密度提供一些參考資料，對視窗填充程度，繞組導線和結構推薦一些方案，有什麼不好？為什麼一定要按步就班地來回進行推算和**，才不是概念錯誤？作者曾在20世紀80年代中開發高頻磁放大器式開關電源，以溫公升最低為條件，對高頻電源變壓器進行過優化設計。
由於熱阻難以確定，結果與試製樣品相差甚遠，不得不再次修正。現在有些公司的磁芯產品說明書中，為了縮短使用者設計高頻電源變壓器的時間，有的列出簡化的設計公式，有的用表列出磁芯在某種工作頻率下的傳送功率。這種既為使用者著想，又推廣公司產品的雙贏行為，是完全符合市場規律的行為，絕不是什麼需要辨析的錯誤概念。
問題是提供的參考資料，推薦的方案是否是經驗的總結？有沒有普遍性？包括「辨析」一文中提出的一些說法，都需要經過實踐檢驗，才能站得住腳。
總之，千萬記住：高頻電源變壓器是一種產品（即商品），設計原則是在具體的使用條件下完成具體的功能中追求效能**比最好。檢驗設計的唯一標準是設計出的產品能否經受住市場的考驗。
3 高頻電源變壓器的設計要求以設計原則為出發點，可以對高頻電源變壓器提出4項設計要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。 3.
1 使用條件使用條件包括兩方面內容：可靠性和電磁相容性。
以前只注意可靠性，現在由於環境保護意識增強，必須注意電磁相容性。 可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對高頻電源變壓器影響最大的是環境溫度。
有些軟磁材料，居里點比較低，對溫度敏感。例如：錳鋅軟磁鐵氧體，居里點只有215℃，其磁通密度，磁導率和損耗都隨溫度發生變化，故除正常溫度25℃外，還要給出60℃，80℃，100℃時的各種參考資料。
因此，將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100℃以下，也就是環境溫度為40℃時，溫公升只允許低於60℃，相當於a級絕緣材料溫度。與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件，一般都採用e級和b級絕緣材料，採用h級絕緣的三重絕緣電磁線和聚醯胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？
是不是因為h級絕緣的高頻電源變壓器優化的設計方案，可以使體積減少1/2～1/3的緣故?如果是，請舉具體例項資料。作者曾開發h級絕緣工頻50hz，10kva乾式變壓器，與b級絕緣工頻50hz，10kva乾式變壓器相比，體積減小15％到20％，已經相當可觀了。
本來體積就比較小的高頻100khz10va高頻電源變壓器，如次級繞組採用三重絕緣線，能把體積減小1/2～1/3，那一定是很寶貴的經驗。請有關作者詳細介紹優化設計方案，以便廣大讀者學習。 電磁相容性是指高頻電源變壓器既不產生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。
電磁干擾包括可聞的音訊雜訊和不可聞的高頻雜訊。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料，產生的電磁干擾大。
例如，錳鋅軟磁鐵氧體，磁致伸縮係數λs為21×10－6，是取向矽鋼的7倍以上，是高磁導坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶奈米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。
這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此，工作頻率為100khz左右的高頻電源變壓器，沒有特殊原因是不會產生20khz以下音訊雜訊的。既然提出10w以下單片開關電源的音訊雜訊頻率，約為10khz～20khz，一定有其原因。
由於沒有畫出雜訊頻譜圖，具體原因說不清楚，但是由高頻電源變壓器本身產生的可能性不大，沒有必要採用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。至於採用這種粘合工藝可將音訊雜訊降低5db，請給出例項與資料以及對雜訊原因的詳細說明，才會令人可信。 遮蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源變壓器電磁相容性的好辦法。
但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播，在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當採取相應的措施，只靠加外遮蔽帶並不一定是最佳方案，因為它只能阻止輻射干擾，不能阻止傳導干擾。 3.2 完成功能高頻電源變壓器完成功能有3個：
功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式，加在原繞組上的電壓，在磁芯中產生磁通變化，使副繞組感應電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。
在功率傳送過程中，磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從最大值bm變化到剩餘磁通密度br，或者從br變化到bm。磁通密度變化值δb=bm－br。
為了提高δb，希望bm大，br小。
雙方向變化工作模式磁通度從＋bm變化到－bm，或者從－bm變化到＋bm。磁通密度變化值δb=2bm，為了提高δb，希望bm大，但不要求br小，不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式，變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導率有關。第二種是電感器功率傳送方式，原繞組輸入的電能，使磁芯激磁，變為磁能儲存起來，然後通過去磁使副繞組感應電壓，變成電能釋放給負載。
傳送功率決定於電感磁芯儲能，而儲能又決定於原繞組的電感。電感與磁芯磁導率有關，磁導率高，電感量大，儲能多，而不直接與磁通密度有關。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯引數不一樣，但是在高頻電源變壓器設計中，磁芯的材料和引數的選擇仍然是設計的乙個主要內容。
在電源變壓器「設計要點」一文中，很遺憾缺少這乙個主要內容。只是在「交流損耗」一條中，提出bac典型值為0.04～0.
075t。顯然，文中的高頻電源變壓器是採用電感功率傳送方式，為什麼不提磁導率，而提bac弄不清楚。經查閱，在《電源技術應用》2023年1/2期，同一主要作者寫的開關電源「設計要點」一文中，列出了「磁芯的選擇」，也沒有提磁導率，只是提出最大磁通密度bm為0.
275t。由於沒有畫磁通密度變化波形，弄不清楚前文中的bac和後文中的bm是否一致：為什麼bac和bm相差6.
8～3.7倍？更不清楚，選的是哪一種軟磁鐵氧體材料？
為什麼選這種型號？兩文中都沒有一點說明，只好讓讀者自己去猜想了。 電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數比來完成。
不管功率傳送是哪一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等於原繞組和副繞組匝數比，只要不改變匝數比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數與高頻電源變壓器的漏感有關。漏感大小與原繞組匝數的平方成正比。
「對於一符合絕緣及安全標準的高頻變壓器，其漏感量應為次級開路時初級電感量的1％～3％」。「辨析」一文中說：「在很多技術單上，標註著漏感=1％的磁化電感或漏感。」
變壓器工作原理
第一章變壓器基本工作原理和結構 1 1從物理意義上說明變壓器為什麼能變壓，而不能變頻率？答 變壓器原副繞組套在同乙個鐵芯上,原邊接上電源後，流過激磁電流i0，產生勵磁磁動勢f0，在鐵芯中產生交變主磁通 0,其頻率與電源電壓的頻率相同，根據電磁感應定律，原副邊因交鏈該磁通而分別產生同頻率的感應電動勢 ...
差動變壓器工作原理
目錄簡介 一種廣泛用於電子技術和非電量檢測中的變壓裝置。用於測 差動變壓器 量位移 壓力 振動等非電量參量。它既可用於靜態測量，也可用於動態測量。差動變壓器的基本組成部分包括乙個線框和乙個鐵心。框上 差動變壓器 設定乙個原繞組和兩個對稱的副繞組，鐵心放 框 的圓柱形孔中。在原繞組中施加交流電壓時，兩...
變壓器的工作原理
1 變壓器的工作原理如圖所示 在一次繞組上外施一變流電壓u1便有i0流入，因而在鐵心中激勵一交流磁通 磁通 同時也與二次繞組匝鏈。由於磁通 的交變作用在二次繞組中便感應出電勢ez。根據電磁感應定律可知，繞組的感應電勢正比於安的匝數。因此只要改變二次繞組的匝數，便能改變電勢ez 的數值，如果二項繞組接...