电力电子应用中的变压器类型

已创建：February 3, 2022
已更新：July 1, 2024

任何需要精确转换、调节以及通过隔离保证安全的电力系统都会使用变压器作为电力耦合元件。除非你曾经设计过电力转换系统，否则你可能没有深入研究过这些设备可用的不同类型变压器。无论是AC-DC还是DC-DC开关转换器都利用变压器提供电隔离的电力转换，同时确保安全，但这需要选择能够处理系统的电力和安全需求的正确变压器。

在本文中，我们将看一些在电力电子学中常用的变压器类型，特别是用于AC-DC和DC-DC转换的板载变压器。除了变压器的基本类型，我们还将看一些这些组件的主要规格，因为这些将限制给定变压器的适用性。最后，如果你找不到适合你系统的现成变压器，那么你将需要为你的系统设计一个变压器。

常见的变压器类型和规格

变压器是具有磁性核心材料的感应组件，其主要功能是将输入信号转换为（理想情况下）不同的电压/电流输出，这取决于初级线圈和次级线圈的匝数比。尽管它们的构造看似简单，变压器是复杂的组件，具有许多重要的规格。

重要的变压器规格

不同类型的变压器和应用将更加注重某些规格。一些主要的变压器规格包括：

直流绕组电阻 - 绕组电阻影响磁性组件在运行期间的加热情况，特别是在高功率转换系统中，因为大量的功率可能会以焦耳热的形式丢失。

开关频率限制 - 在电力转换和调节中使用时，变压器将有一些由其寄生参数和平均功率处理能力决定的开关频率限制。高电流平面磁性元件的典型值在100 kHz到1 MHz的范围内。也可能有占空比限制，因为这将决定平均功率耗散。

绕组电容 - 绕组间电容和绕组内电容将决定噪声如何通过变压器线圈耦合，以及静电放电脉冲如何通过线圈传播。它还决定了电力调节器中开关频率的限制；较低的电容对应较高的开关频率限制。

漏感 - 这是在运行期间磁场强度将被减少的主要机制。磁性组件的线圈中的磁场不会完全限制，因此初级线圈和次级线圈之间的磁通量传递将不完美。

初级与次级隔离 - 线圈之间的隔离以电压值（脉冲或直流）列出。这是衡量线圈间耐击穿性的一种指标。在某些变压器中，隔离电压可以达到千伏级别。这对于隔离电源系统的安全性至关重要，因为这将决定组件能提供的电隔离级别。

安装方式 - 板载安装方法包括标签安装、SMD安装或穿孔安装。安装方式将决定变压器在运行过程中抵抗机械振动的能力。

冷却方式 - 一些变压器，如平面变压器，由于其紧凑的结构，通过强制空气流难以冷却。可能会指定一种冷却方法，以便通过封装将热量散发到散热器或到板上。一些变压器可以直接安装到外壳上，以提供最大的热量散发。

总的来说，这些规格将决定对组件施加的电压和电流限制。它们还将限制变压器对特定设计的适用性，因此我们根据电气应用而不是功率水平对不同类型的变压器进行分类。这些点，以及隔离等级，应与安全规定或行业标准进行比较，以确保设计能够达到安全目标。

变压器类型

变压器的构造、封装和几何形状将决定其分类方式。不同类型的变压器将具有不同的操作特性以及构造（例如，自耦变压器）。大多数变压器是铁心型或壳式型，如下图所示。这将决定它们的UL合规性级别，以及它们在较高频率下的操作。

电力变压器

从技术上讲，所有变压器都会转换功率，但电力变压器专为主电源转换而设计。这些变压器旨在提供高效率的输入电压级别之间的功率转换。这些组件主要用于AC-AC功率转换（单相或三相）在线频率下，额定功率可达数百VA或kVA级别。这些组件的频率限制较低，因为它们不需要在DC-DC转换器中发现的开关频率下操作。

由于频率低，噪声或ESD可能会跨越变压器的间隙耦合，因此在高频下隔离可能会较低。克服这一点的一种方法是在初级和次级线圈的每一侧的地平面上用安全电容器（通常是Y型）桥接，其中电容量大于变压器的寄生电容。这通过创建低阻抗电流路径，将噪声从敏感电路中引开，并返回到您选择的GND连接，但如果GND噪声电流很大，这可能在电源的GND端子处创建安全隐患。

屏蔽变压器

屏蔽变压器由于其核心材料和包装提供了额外的屏蔽，因此具有更高的隔离性能，这种屏蔽针对射频噪声。具体来说，这解决了来自主侧（如市电）的高频噪声，并尝试防止它通过组件的寄生参数传递到次级侧。包装也防止了通过绕组间电容的冲击/脉冲电压的更大传递。

隔离变压器

所有变压器都提供隔离，但隔离变压器旨在为低功率和中等速度的数据传输任务提供非常高的隔离值。它们也非常适合商业和工业电力系统中的低压电源。隔离变压器将被用于以下一些电力和数据应用中：

隔离串行数据接口（RS-485、RS-422 和 RS-232）
隔离的CAN接口
隔离的4 – 20 mA交流电流环
执行器和传感器
隔离的DAQ卡系统
其他隔离总线接口
标准电压（24 V、48 V 等）下的低功率转换

这些应用中的隔离旨在保护敏感设备免受噪声和静电放电的影响。这些通常是低电流应用，因此安全性虽然是一个考虑因素，但隔离变压器确实为与设备互动的任何用户提供了安全保护。

开关变压器

这些设备设计用于在kHz切换频率附近操作的AC-DC或DC-DC转换器中，如反激转换器。实际上，根据它将被使用的电路，开关变压器被细分为反激变压器、LLC变压器或可能是其他一些名称。这些组件的切换频率将受到其线圈电感、漏电感和寄生参数的限制。

此外，在谐振转换器中线圈电感很重要，因为磁化电感将决定转换器作为降压或升压转换器的功能。这种能力使得隔离的LLC谐振转换器在需要高精度跟踪和高功率输出时非常有用。一些使用隔离桥拓扑的应用在快速充电应用中变得越来越流行，例如电动车。

射频变压器和音频变压器

这些组件通常不会被一起分组，但它们确实执行了类似的功能。这些变压器为正弦波或调制信号提供功率转换，就像其他变压器一样。它们的另一个功能是为设备上的输入和/或输出端口提供阻抗匹配。这些组件之间的主要区别是它们的频率等级；音频变压器显然仅限于音频频率，而射频变压器的带宽可以高达大约10 GHz。这些组件也可用作平衡不平衡变压器（balun RF变压器）。

自耦变压器

这种类型的变压器具有电气连接的初级和次级绕组，其中两者通过连接线圈体上的一个分接头分开。技术上，上述任何类型的变压器都可以构造为自耦变压器，但这些通常用于电力转换（称为“电力自耦变压器”）。与典型的铁心型和壳式变压器相比，自耦变压器提供更强的耦合，并且会有更低的漏失。对于给定的转换级别和电感，它们通常成本更低，重量也更轻。