什麼是高頻變壓器?
2022.10.14
技術文章
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1. 什麼是高頻變壓器
2. 高頻變壓器工作原理
3. 變壓器的符號
4. 高頻變壓器的優點
5. 高頻變壓器設計原理
1. 什麼是高頻變壓器?
高頻變壓器是作為開關電源最主要的組成部分，高頻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，高頻變壓器可分為幾個檔次：10kHz- 50kHz、50kHz-100kHz、100kHz～500kHz、500kHz～1MHz、10MHz以上。傳送功率比較大的情況下， 功率器件一般採用 IGBT(絕緣閘極雙極性電晶體)， 由於IGBT存在關斷電流拖尾現象， 所以工作頻率比較低；傳送功率比較小的， 採用MOSFET(半導體場效電晶體)， 工作頻率就比較高。
2. 高頻變壓器工作原理
高頻變壓器是利用電磁感應原理，進行變換交流電壓、電流和阻抗的器件，其中主要構件包含初級線圈、次級線圈、鐵芯。
當初級線圈中通有交流電流時， 鐵芯（或磁芯）中便產生交流磁通， 使次級線圈感應出電壓（或電流），在電源中作為升壓、降壓、隔離使用。
【線圈數和輸出電壓的關係圖】:
3.變壓器的符號 :
4、高頻變壓器的優點 :
搭配直流升降壓技術應用的高頻變壓器，一般切換頻率至少都大於 10KHz 以上，而切換頻率的最大值則受限於開關功率元件的耐熱能力（BJT , MOSFET , IGBT）及鐵芯材質之鐵損大小，換句話說一切受限於材料所能忍受的溫度，這類用於電源供應器裡的變壓器，其鐵芯材質均改以鐵氧體功率材料為主，一般通稱為「高頻變壓器｣。
在用電量越高，輸電距離越長的情況下，交流電力系統遠勝出直流系統。
交流電力系統一般來說不是50Hz就是60Hz，只要是設計給50Hz/60Hz這種電源頻率使用的變壓器，就通稱為『低頻變壓器』，一般都是配合電力系統在使用，也稱之為電力變壓器，其鐵芯材質均以矽鋼片為主。
頻率由開關元件每秒的切換次數決定，故也稱之為切換頻率 fs，變壓器輸入電壓相同時，提高切換頻率可以降低圈數Ｎ、與縮小鐵芯尺寸，而決定傳輸多少功率就已經決定導線線徑，所以通常拉高切換頻率都是為了降低圈數或降低鐵芯體積，因此高頻變壓器的體積會遠小於低頻變壓器的體積。
在用電量越高，輸電距離越長的情況下，交流電力系統遠勝出直流系統。
交流電力系統一般來說不是50Hz就是60Hz，只要是設計給50Hz/60Hz這種電源頻率使用的變壓器，就通稱為『低頻變壓器』，一般都是配合電力系統在使用，也稱之為電力變壓器，其鐵芯材質均以矽鋼片為主。
頻率由開關元件每秒的切換次數決定，故也稱之為切換頻率 fs，變壓器輸入電壓相同時，提高切換頻率可以降低圈數Ｎ、與縮小鐵芯尺寸，而決定傳輸多少功率就已經決定導線線徑，所以通常拉高切換頻率都是為了降低圈數或降低鐵芯體積，因此高頻變壓器的體積會遠小於低頻變壓器的體積。
5. 高頻變壓器設計原理
• 漏感，在高頻變壓器設計時，變壓器的漏感是由於初級線圈和次級線圈之間，之間磁通沒有完全耦合而造成的，線圈所產生的磁力線不能都通過次級線圈，因此產生漏磁的電感稱為漏感；設計者，繞窗越寬，圈數越小，堆疊的層數越少，漏感就越減小，或是將初級與次級相互堆疊做抵銷來降低漏感的產生，這種方式稱三明治繞法。
• 分佈電容，變壓器繞組線匝之間， 在同一繞組的上、下層間，或不同繞組之間， 繞組與遮罩層之間形成的電容稱為分佈電容；設計者，通常會將初級繞組放在最裡層， 這樣可使變壓器初級繞組每一匝用線長度最短， 也有效地減小了初級繞組自身的分佈電容，但三明治繞法會將寄生電容增大，效率降低，因此這也是設計者需要考量的。
• 因為開關電源中高頻變壓器傳輸的是高頻脈衝方波信號。 在傳輸的瞬變過程中， 漏感和分佈電容會引起浪湧電流和尖峰電壓， 在頂部振盪， 造成損耗增加，這是為何在設計上會需要低漏感的主因，相反的，也有設計者利用漏感做偵測，因為不同的設計者，會有不同的需求與設計方式。
• 絕緣層膠帶，在初級繞組與次級繞組之間通常會需要加繞(2-3)層絕緣膠帶， 這樣可減小初級繞組和次級繞組之間分佈電容的電容量， 也增大了初級和次級之間的絕緣強度， 確保絕緣耐壓的要求。同常在1000V AC 膠帶為1-2層，3000V AC 膠帶會為2-3層。
• 屏蔽工藝，是為了能更有效的解決變壓器的干擾問題，在繞組間或是鐵芯的最外層加入導電銅箔，但一定要注意，繞組間使用的導電銅箔還接地，會增加熱阻的產生，一般導電銅箔會在鐵芯或線包最外層做接地。或可以在鐵芯的最外層加上絕緣膠帶，來增加屏蔽的效果。
• 絕緣與耐壓，在高頻變壓器的設計上是關鍵。當耐壓條件嚴苛的狀況，或線架設計安全距離不夠時，可以提高材料的耐壓規格，或使用擋牆、膠帶、套管、含浸等工藝，來增加初級與次級間的耐壓或安全距離，或使用套管來確保鍍錫時或與線包間的安全距離以是常用的方式。
• 漏感，在高頻變壓器設計時，變壓器的漏感是由於初級線圈和次級線圈之間，之間磁通沒有完全耦合而造成的，線圈所產生的磁力線不能都通過次級線圈，因此產生漏磁的電感稱為漏感；設計者，繞窗越寬，圈數越小，堆疊的層數越少，漏感就越減小，或是將初級與次級相互堆疊做抵銷來降低漏感的產生，這種方式稱三明治繞法。
• 分佈電容，變壓器繞組線匝之間， 在同一繞組的上、下層間，或不同繞組之間， 繞組與遮罩層之間形成的電容稱為分佈電容；設計者，通常會將初級繞組放在最裡層， 這樣可使變壓器初級繞組每一匝用線長度最短， 也有效地減小了初級繞組自身的分佈電容，但三明治繞法會將寄生電容增大，效率降低，因此這也是設計者需要考量的。
• 因為開關電源中高頻變壓器傳輸的是高頻脈衝方波信號。 在傳輸的瞬變過程中， 漏感和分佈電容會引起浪湧電流和尖峰電壓， 在頂部振盪， 造成損耗增加，這是為何在設計上會需要低漏感的主因，相反的，也有設計者利用漏感做偵測，因為不同的設計者，會有不同的需求與設計方式。
• 絕緣層膠帶，在初級繞組與次級繞組之間通常會需要加繞(2-3)層絕緣膠帶， 這樣可減小初級繞組和次級繞組之間分佈電容的電容量， 也增大了初級和次級之間的絕緣強度， 確保絕緣耐壓的要求。同常在1000V AC 膠帶為1-2層，3000V AC 膠帶會為2-3層。
• 屏蔽工藝，是為了能更有效的解決變壓器的干擾問題，在繞組間或是鐵芯的最外層加入導電銅箔，但一定要注意，繞組間使用的導電銅箔還接地，會增加熱阻的產生，一般導電銅箔會在鐵芯或線包最外層做接地。或可以在鐵芯的最外層加上絕緣膠帶，來增加屏蔽的效果。
• 絕緣與耐壓，在高頻變壓器的設計上是關鍵。當耐壓條件嚴苛的狀況，或線架設計安全距離不夠時，可以提高材料的耐壓規格，或使用擋牆、膠帶、套管、含浸等工藝，來增加初級與次級間的耐壓或安全距離，或使用套管來確保鍍錫時或與線包間的安全距離以是常用的方式。
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