電子變壓器基礎知識解析
所屬分類：行業動態點擊次數：1512 次發布日期：2023-05-22 11:28
電子變壓器，具有將市電的交變電壓轉變為直流后再通過半導體開關器件以及電子元件和高頻變壓器繞組構成一種高頻交流電壓輸出的電子裝置，也是在電子學理論中所講述的一種交直交逆變電路。 簡單來說，它主要是由高頻變壓器磁芯（鐵芯）與兩個或兩個以上的線圈組成，它們互不改變位置，從一個或兩個以上的電回路中，通過交流電力借助電磁感應作用，轉變成交流電壓及電流。而在高頻變壓器的輸出端，對一個或兩個以上的用電回路，供給不同電壓等級的高頻交流或直流電。
電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）又稱電子電力變壓器（Electronic Power Transformer, EPT），固態變壓器（Solid State Transformer, SST）和柔性變壓器（Flexible Transformer, FT），是一種通過電力電子技術實現能量傳遞和電力變換的新型變壓器。對現有的電力電子變壓器拓撲結構進行分析和總結，可以對電力電子變壓器作出如下定義：所謂電力電子變壓器，是一種將電力電子變換技術與基于電磁感應原理的高頻電能變換技術進行結合，實現將一種電力特征的電能變換為另一種電力特征的電能的靜止電力設備。這里所說的電能的電力特征主要是指電壓（或電流）的幅值、頻率、相位、相數、相序和波形等方面。
特點
電子變壓器是一種新型的電能轉換設備，它不僅具備傳統電力變壓器所具有的電壓變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能，還能夠實現電能質量的調節、系統潮流的控制以及無功功率補償等其它附加功能。電力電子變壓器之所以能夠實現這些附加功能，主要是因為它通過引入電力電子變換技術及控制技術之后，能夠對變壓器的原方和副方的電壓或者電流的幅值、相位進行靈活的處理和控制，并且可以根據實際需要對系統的潮流進行控制。因而電力電子變壓器可以實現更為穩定和靈活的輸電，可以解決當今電力系統中所存在的許多問題，其應用的前景也將十分廣闊。
與傳統的電力變壓器相比，PET 具有如下特點：
①體積小，重量輕；
②用空氣可冷卻，不需絕緣油進行隔離，減少污染，且維護方便，安全性好；
③能夠使變壓器的副方輸出恒定幅值的電壓；
④能夠改善電能質量，可以得到正弦波形的輸入電流、輸出電壓且能夠實現單位功率因數，且變壓器兩側的電壓、電流均可控，因而能任意調節功率因數；
⑤具有斷路器的功能，大功率電力電子器件可瞬時（在微妙級時間內）關斷故障大電流，省去了繼電保護裝置。
另外，電力電子變壓器還具有一些特殊的用途如：與蓄電池連接之后，可以提高供電的可靠性；能夠實現三相變兩相或三相變四相等特殊變換功能；能夠同時輸出交流電和直流電等。在文獻中，作者對常規電力變壓器和自平衡電力電子變壓器進行了仿真對比和分析，文獻主要針對五種工況進行了仿真研究，從仿真的結果來看，PET 無論是在滿載額定運行、低壓側一相斷線、三相短路，以及高壓側電壓三相不平衡和有諧波污染等工況下都有較好的輸入輸出特性，能夠避免一側系統的不平衡對另一側系統的影響，因而較常規電力變壓器具有更加優良的性能。
分類
A 按工作頻率分類：
工頻變壓器：工作頻率為50Hz或60Hz
中頻變壓器：工作頻率為400Hz或1KHz
音頻變壓器：工作頻率為20Hz或20KHz
超音頻變壓器：20KHz以上，不超過100KHz
高頻變壓器：工作頻率通常為上KHz至上百KHz以上。
B 按用途分類：
電源變壓器：用于提供電子設備所需電源的變壓器
音頻變壓器：用于音頻放大電路和音響設備的變壓器
脈沖變壓器：工作在脈沖電路中的的變壓器，其波形一般為單極性矩形脈沖波
特種變壓器：具有一種特殊功能的變壓器，如參量變壓器，穩壓變壓器，超隔離變壓器，傳輸線變壓器，漏磁變壓器
開關電源變壓器：用于開關電源電路中的變壓器
通訊變壓器：用于通訊網絡中起隔直、濾波的變壓器
材料
電子變壓器材料主要有
骨架（Bobbin,Base,Case）
線材（Copper Wire）
磁芯（Ferrite Core,SI-Steel Lamination）
銅箔（Copper Foil）
絕緣膠帶（Tape）
安全膠帶，也稱檔墻（Margin Tape）
套管（Tube）
化學材料：焊錫（Solder Bar），絕緣油（Varnish），膠類（Epoxy,Glue），稀釋劑（Thinner），助焊劑（Scaling Powder），油墨（Ink）
工藝流程
1）預加工，如銅箔、骨架等預加工；（beforehand process）
2）繞線；（winding coil）
3）理線（配線）（termianl lead wire）；
4）焊錫一；（dip solder 1）
5）組合磁芯，包含點膠、包膠帶；（assembly）
6）測試一；（test 1）
7）烤膠；（bake glue）
8）含浸；（dip varnished or vacuumed varnish）
9）烤凡立水；（bake varnish）
10）焊錫二；（dip solder 2）
11）測試二；（test 2）
12）外觀檢查及清理；（inspection&cleaning）
13）成品包裝；（packing）
注意：此流程為通用流程，對于具體產品部分流程可刪除。
原理
電力電子變壓器是一種將電力電子變換器（整流器、逆變器）和高頻變壓器相結合，實現傳統電力變壓器電氣量變換、能量傳遞以及系統隔離等基本功能的輸配電裝置。由于目前應用于電力系統的功率器件，無論在容量還是耐壓等級方面，都較輸電系統低，所以預計電力電子變壓器未來在電力系統應用應首先在配電領域實現。 [2]
電力電子變壓器的電力電子變換器（整流、逆變器）應包括主電路和控制電路兩部分組成。對于配電系統的變壓器，為了與常規電力變壓器一致，所以將與電源側相連的電力電子變換器及與其對應的高頻變壓器的相應繞組定義為一次側；將與負荷側相連的電力電子變換器及與其對應的高頻變壓器的相應繞組定義為二次側。二者之間通過高頻變壓器相連。 [2]
工作原理為：在一次側，工頻母線高壓通過電力電子變換器的作用變成高頻交流方波，即一次側將電壓的頻率提高，實現升頻的作用。由于變壓器的體積與鐵芯材料飽和磁通密度和繞組最大容許溫升有關，飽和磁通密度大的變壓器的體積也大。而鐵芯材料的飽和磁通密度又和變壓器的工作頻率成反比，所以一次側電力電子變換器的升頻作用，可以提升鐵芯材料的利用率，以減小變壓器的體積，節省變壓器所占空間。這也是電力電子變壓器相比于傳統電力變壓器的一大優點。
特點
電子變壓器，輸入為AC220V，輸出為AC12V，功率可達50W-300W。它主要是在高頻電子鎮流器電路的基礎上研制出來的一種變壓器電路，其性能穩定，體積小，功率大，因而克服了傳統的硅鋼片變壓器體大、笨重、價高等缺點。
電子變壓器就是無穩壓型開關電源，它實際上就是一種逆變器。首先把交流電整流成直流電。然后用電子元件組成一個高頻振蕩器把直流電變為高頻交流電，通過開關變壓器輸出所需要的電壓然后二次整流供用電器使用。開關電源具有體積小，重量輕，價格低等優點，所以被廣泛用在各種電器中。
根據高頻開關管的驅動方式不同，可分為自激振蕩式與他激式。
自激式
電子變壓器工作原理電路如圖所示。電子變壓器原理與開關電源工作原理相似，二極管VD1～VD4構成整流橋把市電變成直流電，由振蕩變壓器T1，三極管VT1、VT2組成的高頻振蕩電路，將脈動直流變成高頻電流，然后由鐵氧體輸出變壓器T2對高頻高壓脈沖降壓，獲得所需的電壓和功率。R1為限流電阻。電阻R2、電容C1和雙向觸發二極管VD5構成啟動觸發電路。 三極管VT1、VT2選用S13005，其B為15～2 0倍。也可用C3093等BUceo>=35OV的大功率三極管。觸發二極管VD5選用32V左右的DB3或VR60。
振蕩變壓器可自制，用音頻線繞制在 H7 X 10 X 6的磁環上。TIa、T1b繞3匝，Tc繞1匝。鐵氧體輸出變壓器T2也需自制，磁心選用邊長27mm、寬20mm、厚10mm的EI型鐵氧體。T2a用直徑為0.45mm高強度漆包線繞100匝，T2b用直徑為1.25mm高強度漆包線繞8匝。 二極管VD1～VD4選用 IN4007型，雙向觸發二極管選用DB3型，電容C1～C3選用聚丙聚酯滌綸電容，耐壓250V。
電路工作時，A點工作電壓約為12V；B點約為25V；C點約為105V；D點約為10V。如果電壓不滿足上述數值，或電路不振蕩，則應檢查電路有無錯焊、漏焊或虛焊。然后再檢查VT1、VT2是否良好，T1a、T1b的相位是否正確。整個電路裝調成功后，可裝入用金屬材料制作的小盒內，發利于屏蔽和散熱，但必須注意電路與外殼的絕緣。引外，改變T2 a、b二線圈的匝數，則可改變輸出的高頻電壓。
他激式
在接通工頻市電電源后，橋式整流器通過Rs的電流除流入IC腳VCC上的啟動電流外，其余的大部分電流對電容CVCC1充電。當IC腳VCC上的電壓達到啟動閾值（11.8 V）后，IC開始工作。一旦IC啟動，由CSNUB、DCP1和DCP2組成的電荷泵電路為IC腳VCC饋送電流。自舉二極管DB和電容CB為IC高側驅動器電路供電。齊納二極管DZ用作分流IC過剩電流，以防止IC損壞。
鹵素燈燈絲電阻為帶正溫度系數，在室溫下的“冷電阻”遠小于燈工作時的“熱電阻”。在燈啟動時，會產生較大的浪涌電流，影響燈壽命。但IR2161提供軟啟動操作，可以避免浪涌電流產生。在燈啟動期間，IR2161輸出125 kHz的高頻。由于系統中輸出高頻變壓器T1初級漏感是固定的，在較高的頻率下呈現較高的阻抗，初級繞組上的電壓較低。致使變壓器輸出電壓較低，燈電流較小，同時也避免了保護電路被觸發。約經1 s的時間，電路以較低頻率運行。在此過程中，IC腳3外部電容CSD上的電壓從OV增加到5V。
當空載時，VCSD=OV，振蕩器頻率約60kHz。在最大負載下，VCSD=5V，振蕩器頻率約30kHz。當輸出短路時，大電流流過半橋，被RCS感測。只要IC腳4（CS）上電壓超過1V的門限電平持續50ms以上的時間，系統將關閉。如果負載超過最大負載的50%，IC腳4上的電壓將超過O 5 V較低的門坎電壓，在經0.5S之后，系統將關閉。不論是短路保護還是過載保護，都能自動復位。IR2161還提供過熱關閉功能。當芯片結溫超過135℃的過溫度限制值時，半橋開關將停止工作，以避免MOSFET燒壞。
用途
電子變壓器在傳統照明燈具中的應用十分普遍，如日光燈、臺燈、節能燈、廣告燈等等幾乎都可以使用電子變壓器，并且采用電子變壓器之后，可以省掉啟動器。在LED照明中，新品也大都采用電子變壓器。主要是電子變壓器在變壓功能上，效率高、成本底，節約鐵銅材料，結構小，重量輕。不足的是耐壓和耐大電流沖擊性能較鐵質變壓器差。
在電源技術中的應用
電源裝置中的電子變壓器一般要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器（軟磁電磁元件）。雖然，已經有不用軟磁磁芯的空芯電子變壓器和壓電陶瓷變壓器，但是，到21世紀初期，絕大多數的電源裝置中的電子變壓器，仍然使用軟磁磁芯。
因此，討論電源技術與電子變壓器之間的關系：電子變壓器在電源技術中的作用、電源技術對電子變壓器的要求、電子變壓器采用新軟磁材料和新磁芯結構對電源技術發展的影響，一定會引起電源行業和軟磁材料行業的朋友們的興趣。百度百科提出一些看法，以便促成電源行業與電子變壓器行業和軟磁材料行業之間就電子變壓器和軟磁材料的有關問題進行對話，互相交流，共同發展。
1、電源技術對電子變壓器的要求
電源技術對電子變壓器的要求，像所有作為商品的產品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重價格和成本，有時可能偏重效率和性能。輕、薄、短、小是電子變壓器的發展方向，是強調降低成本。從總的要求出發，可以對電子變壓器得出四項具體要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。 [4]
2、使用條件電子變壓器的使用條件，包括兩方面內容：
可靠性和電磁兼容性。可靠性是指在具體的使用條件下，電子變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件中對電子變壓器影響最大的是環境溫度。決定電子變壓器受溫度影響強度的參數是軟磁材料的居里點。軟磁材料居里點高，受溫度影響小；軟磁材料居里點低，對溫度變化比較敏感，受溫度影響大。
例如：錳鋅鐵氧體的居里點只有215℃，比較低，磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度發生變化，除正常溫度25℃而外，還要給出60℃，80℃，100℃時的各種參數數據。因此，錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下，也就是環境溫度為40℃時，溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點為370℃，可以在150℃～180℃以下使用。高磁導坡莫合金的居里點為460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用。微晶納米晶合金的居里點為600℃，取向硅鋼居里點為730℃，可以在300℃～400℃下使用。（電磁兼容性是指電子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：可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲。電子變壓器產生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮。
磁致伸縮系數大的軟磁材料，產生的電磁干擾大。）鐵基非晶合金的磁致伸縮系數通常為最大（27～30）×10-6，必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。高磁導Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數為25×10-6，錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數為21×10-6。以上這3種軟磁材料屬于容易產生電磁干擾的材料，在應用中要注意。3%取向硅鋼的磁致伸縮系數為（1～3）×10-6，微晶納米晶合金的磁致伸縮系數為（0.5～2）×10-6。這2種軟磁材料屬于比較容易產生電磁干擾的材料。6.5%硅鋼的磁致伸縮系數為0.1×10-6，高磁導Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數為（0.1～0.5）×10-6，鈷基非晶合金的磁致伸縮系數為0.1×10-6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產生電磁干擾的材料。由磁致伸縮產生的電磁干擾的頻率一般與電子變壓器的工作頻率相同。如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾，那是由其他原因產生的。
3、完成功能電子變壓器從功能上區分主要有變壓器和電感器2種。
特殊元件完成的功能另外討論。
變壓器完成的功能有3個：功率傳送、電壓變換、絕緣隔離；
電感器完成功能有2個：功率傳送和紋波抑制。功率傳送有2種方式。
第一種是變壓器傳送方式，即外加在變壓器原繞組上的交變電壓，在磁芯中產生磁通變化，使副繞組感應電壓，加在負載上，從而使電功率從原邊傳送到副邊。傳送功率的大小決定于感應電壓，也就是決定于單位時間內的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導率無關，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序為：鐵鈷合金為2.3～2.4T，硅鋼為1.75～2.2T，鐵基非晶合金為1.25～1.75T，鐵基微晶納米晶合金為1.1～1.5T，鐵硅鋁合金為1.0～1.6T，高磁導鐵鎳坡莫合金為0.8～1.6T，鈷基非晶合金為0.5～1.4T，鐵鋁合金為0.7～1.3T，鐵鎳基非晶合金為0.4～0.7T，錳鋅鐵氧體為0.3～0.7T。作為電子變壓器的磁芯用材料，硅鋼和鐵基非晶合金占優勢，而錳鋅鐵氧體處于劣勢。功率傳送的
第二種是電感器傳送方式，即輸入給電感器繞組的電能，使磁芯激磁，變為磁能儲存起來，然后通過去磁變成電能釋放給負載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關，而與磁導率有關，磁導率高，電感量大，儲能多，傳送功率大。
各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為：Ni80坡莫合金為（1.2～3）×106，鈷基非晶合金為（1～1.5）×106，鐵基微晶納米晶合金為（5～8）×105，鐵基非晶合金為（2～5）×105，Ni50坡莫合金為（1～3）×105，硅鋼為（2～9）×104，錳鋅鐵氧體為（1～3）×104。作為電感器的磁芯用材料，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢。傳送功率大小，還與單位時間內的傳送次數有關，即與電子變壓器的工作頻率有關。工作頻率越高，在同樣尺寸的磁芯和線圈參數下，傳送的功率越大。電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數比來完成，不管功率傳送大小如何，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數比。
絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結構來完成。絕緣結構的復雜程度，與外加和變換的電壓大小有關，電壓越高，絕緣結構越復雜。紋波抑制通過電感器的自感電勢來實現。只要通過電感器的電流發生變化，線圈在磁芯中產生的磁通也會發生變化，使電感器的線圈兩端出現自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高，電流紋波的電流頻率比基頻大，因此，更能被電感器產生的自感電勢抑制。電感器對紋波抑制的能力，決定于自感電勢的大小，也就是電感量大小，與磁芯的磁導率有關，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導率大，處于優勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小，處于劣勢。
4、提高效率提高效率是對電源和電子變壓器的普遍要求。
a、提高電子變壓器的效率。
例如：100VA電源變壓器，效率為98%時，損耗只有2W并不多。但是成十萬個、成百萬個電源變壓器，總損耗可能達到上十萬W，甚至上百萬W。還有，許多電源變壓器一直長期運行，年總損耗相當可觀，有可能達到上千萬kW?h。顯然，提高電子變壓器的效率，可以節約電力。節約電力后，可以少建發電站。少建發電站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放CO2，SO2，NOx，廢氣，污水，煙塵和灰渣，減少對環境的污染。既具有節約能源，又具有保護環境的雙重社會經濟效益。因此，提高效率是對電子變壓器的一個主要要求。
b、電子變壓器的設計
電子變壓器的損耗包括磁芯損耗（鐵損）和線圈損耗（銅損）。鐵損只要電子變壓器投入工作，一直存在，是電子變壓器損耗的主要部分。因此，根據鐵損選擇磁芯材料，是電子變壓器設計的主要內容，鐵損也成為評價軟磁材料的一個主要參數。鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關，在介紹軟磁材料的鐵損時，必須說明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗。
例如：P0.5/400，表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損。P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作頻率100kHz下的鐵損。軟磁材料包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比。ρ越大，渦流損耗越小。
各種軟磁材料的ρ從大到小的順序為：錳鋅鐵氧體為 108～109μΩ？cm，鐵鎳基非晶合金為150～180μΩ？cm，鐵基非晶合金為130～150μΩ？cm，鈷基非晶合金為 120～140μΩ？cm，高磁導坡莫合金為40～80μΩ？cm，鐵硅鋁合金為40～60μΩ？cm，鐵鋁合金為30～60μΩ？cm，硅鋼為 40～50μΩ？cm，鐵鈷合金為20～40μΩ？cm。因此，錳鋅鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106～107倍，在高頻中渦流小，應用占優勢。但是當工作頻率超過一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內的絕緣體被擊穿和熔化，ρ變得相當小，損耗迅速上升到很高水平，這個工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率。
各零件作用
一般店鋪照明用的射燈、筒燈等用的電子變壓器。220v交流變直流12v50W，里面有一個7個接線頭的磁鐵線圈。3個電阻，6個二級管，4個電容，2個三極管。其作用分別為：
電阻：1啟動電阻，2限流電阻，3穩壓電阻
二極管：有四個二極管是整流用的，其余的兩個也是整流
電容：濾波
三極管：一個是開關三極管，另一個是啟動用的
驗收試驗
（1）測量繞組在各個分接位置的直流電阻值；
（2）檢測各個分接位置的電壓比與銘牌是否相符；
（3）測定繞組的極性和聯結組標號；
（4）拆去鐵心接地片，用2500V兆歐表檢測鐵心的絕緣狀況，符合要求后裝好接地片，檢測鐵心接地是否良好（鐵心只能一點接地）；
（5）工頻耐壓試驗，容量800KVA以下能通過工頻耐壓試驗，容量800KVA及以上，有條件時進行施加工頻電壓，按GB50150—90標準要求。
（6）用2500V兆歐表檢測變壓器高壓對地、低壓對地及高壓對地壓的絕緣狀況。
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