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开关电源基本工作原理


第一节 开关电源基本工作原理

浙江大学电气工程学院 应用电子学系 二零一零年七月

本节内容
? 一、什么是开关电源 ? 二、 开关电源中的电力电子电路 ? 三、 主电路工作原理 ? 四、电力电子器件 ? 五、无源器件

2010-7-12

2

一、什么是开关电



? 电源 ? 线性电源 ? 开关电源

一、什么是开关电源(1)
电源:提供电能的装置 ? 把其他形式的能转换成电能的装置 叫做电源
– 发电机: ? 机械能 – 干电池: ? 化学能 – 计算机电源: ? 交流电 – 太阳能电池 ? 太阳能 电能 电能 直流电 电能

? 本书所指电源是:输入输出都是电 能的电能变换电源。
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一、什么是开关电源(2)
线性电源:
– 调整管工作在线性放大状态 – 调整管损耗大 – 工频变压器体积大,重量重。

调整管

交流输入 电压给定

直流 输出

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一、什么是开关电源(3)
开关电源:泛指,电路中有电力电子器件工作在高 频开关状态的直流电源。
– 电力电子器件工作在开关状态,损耗很小 – 其隔离和电压变换的变压器T是高频变压器,体积大大缩小,重 量大大减轻

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6

一、什么是开关电源(4)

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7

一、什么是开关电源(5)
开关电源的发展
– 20世纪60年代:大功率晶体管BJT、GTR的出现——开关电源 问世。 – 20世纪70年代:开关器件、磁性材料的不断改进——开关频 率突破20kHz – 20世纪80年代:IGBT功率MOSFET的出现——大功率开关电 源开始广泛应用 – 20世纪80年代开始:软开关技术的发展——开关频率不断得 到突破,100kHz,1Mhz,10MHz……。 – 20世纪90年代:功率因素矫正电路——绿色电源(对电网无 污染) – 21世纪:不断的增加功率密度。
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一、什么是开关电源(6) High f/Eff./Power Density Conversion
Single Module 3 Modules On The Bench

500W Quarter Brick Bus Converter
Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3).
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一、什么是开关电源(7)
高效率电源的需求
应用管理器

逆变器

电网

微型发电机

整流器 应用管理器

DC/DC DC/DC DC/DC 直流负载

逆变器

电机

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电网

整流器

DC/DC DC/DC DC/DC 直流负载 10

一、什么是开关电源(8)
开关电源产业当前关注的技术

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一、什么是开关电源(8)
开关电源设计的步骤 ? 电路拓扑选择——《电力电子技术》 ? 元器件选择——《电力电子器件》 ? 控制系统反馈设计——《自动控制理论》 ? 磁性元件设计——《电磁场理论》,《电力电子技术》
– 监控设计 – 热管理 – EMI控制 – ……
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二、 开关电源中的电力电子电路

? 分类 ? 应用

二、 开关电源中的电力电子电路(1)
电力电子电路分类 降压型电路(BUCK) 升压型电路(BOOST) 升降压型电路(BUCK-BOOST) CUK型电路 SPEIC型电路√ ZETA型电路√ 单管(双管)正激型电路(FORWARD) 反激电路(FLYBACK) 半桥型电路(HALF-BRIDGE) √ 全桥型电路(FULL-BRIDGE) √ 推挽型电路(PUSH-PULL) √
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非隔离型电路

隔离型电路

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二、 开关电源中的电力电子电路(2)

buck

boost

Buck-boost

cuk

sepic

zeta

正激

反激 半桥 全桥

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推挽

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二、 开关电源中的电力电子电路(3)
隔离型电力电子变换电路的功率等级和应用场合
电路类型 单端反激式变换 器(FLYBACK) 单端正激式变换 器(FORWARD) 推换式变换器 (PUSH-PULL) 半桥式变换器 (HALF BRIDGE) 全桥式变换器 (FULL BRIDGE) 传输功率 20~100W
50~200W

应用环境
小型仪器、仪表,家用电器等电源,自动化设备 中的控制电源 小型仪器、仪表,家用电器等电源,自动化设备 中的控制电源

100~500W 100~5000W

控制设备,计算机等电源 焊机,超声电源,计算机电源等 焊机、高频感应加热,交换机等

500W~ 30kW

这类电源的共同特点:具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级 绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的,或是 部分隔离的,而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
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二、开关电源电路拓扑的实用选择方法
? ? ? ? ? ? ? ? ? 升压或者降压:输入电压总是比输入电压低吗? 占空比的实际限制:输出电压和输入电压是否相差5倍以上? 多少组输出:是否多于1组,是否很多? 隔离要求:如果需要隔离,就需要变压器 EMI要求:EMI要求高,不适合采用输入电流不连续的拓扑。 MOSFET还是双极性晶体管:功率大?开关频率高? 电流连续还是电流断续:需要空载工作吗? 同步整流:输出电压很低? 电压模式控制和电流模式控制:如果输出电流很大,选用电压模 式控制比电流模式控制好。

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三、 开关电源主电路工作原理

? BUCK,BOOST ? 反激,半桥 ? 整流

三、 主电路工作原理(1)
开关电源CCM和DCM工作模式
? ? CCM: Continuous Conduction Mode,(电感电流)连续导通模式 DCM: Discontinuous Conduction Mode,(电感电流)断续导通模式

? ?

前面所述的各种开关电源,均可能工作于CCM或者DCM两种模式。 两种工作模式下,电压增益的表达式不一样。 开关电源工作于哪种工作模式,在开关电源的占空比不变的情况 下,与开关电源的负载大小以及电感的大小有关系。
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三、 主电路工作原理(2)
开关电源稳态分析的两个基本原理
? 1.电感的伏秒平衡:稳态条件 下,电感两端电压在一个开关 周期内的平均值为零 ? 2.电容的充电平衡:稳态条件 下,电容电流在一个开关周期 内的平均值为零
ug uL DTs Ui –Uo DTs –Uo iL t –Uo/R t Ts t

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三、 主电路工作原理(3)
基本的脉冲宽度调制波形 ? 这些拓扑结构都与开关式电路有关。 ? 基本的脉冲宽度调制波形定义如下:

TON

TOFF TS

Duty Cycle = Duty Ratio = D =

TON TON TOFF

=

TON TS

TOFF 占空比=负荷比 TOFF D' = 1 - D = = TON TOFF TS
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三、 主电路工作原理(4)——BUCK
BUCK电路工作于CCM和DCM时的工作状态

CCM

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三、 主电路工作原理(4)——BUCK
BUCK电路工作于CCM和DCM时的电感电流波形

Uo M= =? Ui
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Uo M= =D Ui

Uo M= =D Ui

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三、 主电路工作原理(4)——BUCK
电感电流断续情况下的电压增益表达式
根据稳态时电感伏秒平衡原理:
? ? ? ?

U ? U ? DT = U × αT i O? s o s ?

?

根据稳态时电容C的充电电流平均值为0
ug uL DTs Ui –Uo DTs iL ΔIL αTs –Uo t t Ts t

1 U ΔI L ( D + α ) = o , 2 R ΔI L L = Ui 电感方程: DTs

M=

Uo 1 + 4K ? 1 2L = , 其中K= 2 Ui D Ts R 2K

s 2010-7-12

DT

在电感电流断续的情况下,Uo=DUi不成立。 在电感电流断续的条件下,电路其它参数不 变而电路负载改变时,输出电压发生改变; 而在电感电流连续的情况下,输出电压不随 24 负载改变。

三、 主电路工作原理(4)——BUCK
将负载R按照L/TS进行归一化后 U
o

Uo U 与负载R之间的关系 i

Ui

0.9 0.8 0.6 0.4
RT s L

D=0.8 D=0.6 D=0.4

5

10

15

可见:
电感电流连续时 ,Uo/Ui=D; 电流断续时,总是有Uo/Ui>D,负载越小(负载电阻越大),则Uo越高。 输出空载时,Uo=Ui。
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三、 主电路工作原理(5)——BOOST
BOOST电路工作于CCM和DCM

iD

注意:BOOST电路工作于CCM时,D不能很接近1,工作于 2010-7-12 26 DCM时不能令负载开路,否则高压令电路元器件要损坏。

三、 主电路工作原理(6)——BUCK-BOOST
升降压电路工作于DCM模式

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三、 主电路工作原理(5)——反激
反激式电路

变压器等效电路
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三、 主电路工作原理(5)——反激

开关管导通时的等效电路

开关管截止时的等效电路一

一个开关周期内,电感 能量已经降为零,则该 电路工作于DCM状态。 & & &反激变压器的原 副边并不同时流过电 流,只在开关瞬时符合 安匝平衡。
29

开关管截止时的等效电路二 (DCM) 2010-7-12

三、 主电路工作原理(5)——反激

iL1
iL2折算到原边

开关管导通时的等效电路
iL2 iL1折算到副边

反激式变换器工作在CCM工作模式时的各个波形(1)
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三、 主电路工作原理(5)——反激

iL1
iL2折算到原边

开关管截止时的等效电路一

iL2

iL1折算到副边

反激式变换器工作在CCM工作模式时的各个波形(1)
2010-7-12 31

三、 主电路工作原理(5)——反激

开关管截止时的等效电路二 (DCM)

注意:不管反激式 变换器工作于CCM 还是DCM模式, 原副边绕组电流都 是断续的! 反激式变换器工作在DCM工作模式时的 各个波形 2010-7-12 32

三、 主电路工作原理(5)——反激

反激式电路工作于DCM模式时 电压增益表达式推导
思考:推导电压增益表达式M

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33

三、 主电路工作原理(5)——反激
? 电容充放电平衡:
Uo 1 1 = I o = ΔI D × α = ΔI L 2 × α 2 2 R

? 变压器副边电感方程:
ΔI L 2 L = Uo αTs
2L RTs

α 2=

? 变压器伏秒平衡:
N2 U i DTs = U oαTs N1

U N D N M= o = 2 = 2 U i N1 α N1
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D2 2L N2 = RTs N1

1 RT , 其中K = 2 S K D 2L
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三、 主电路工作原理(5)——反激
Uo 将负载R按照L/TS进行归一化后 U i 与负载R之间的关系
N 1U o N 2U i

D=0.8 4 2.4 1
RT s L

D=0.7 D=0.5

50

100

150

可见:反激式在DCM模式时,输出电压随着负载减 小而增加,当负载为零即输出开路时,输出电压趋 于无穷大,将损坏电路中的元器件,因此反激式电 路 2010-7-12不能工作于开路状态。

35

三、 主电路工作原理(5)——反激

※反激式变压器的间歇振荡问题
当电网电压升到一定值而又很大的情况下,欲维持输 出电压恒定,则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值 时,不能再减小了,只能以最小导通比运行,但由于导通 时所储存的能量没有释放回路,就有可能出现:有的振荡 周期没有PWM脉冲输出,开关管不导通,有的振荡周期就 很宽,变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器,这时 输出电压不稳,纹波大,变压器发出刺耳的哨叫声。克服 这一问题的办法之一,也是最安全和可靠的办法是在副边 绕组中加一固定负载电阻(假负载),以防负载开路,这 样电网电压最高时,即使真负载开路了,由于有固定的假 负载,脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现 象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。
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三、 主电路工作原理(5)——反激
反激式电路工作于DCM工作模式时的特点 ? 反激式电路中的变压器相当于多个绕组的耦合电感, 在输入和输出绕组中不会同时有电流流过,不存在磁 动势相互抵消的可能,因此变压器中磁心的磁通密度 取决于绕组中电流的大小。 ? 反激式电路工作于DCM时,相同的电压和Ton的情况 下,ΔB比较大,因此匝数可以少,磁心尺寸可以降 低,磁心的利用率可以增加。 ? 应用于功率为200瓦以下的场合。
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三、 主电路工作原理(6)——半桥
半桥型电路

D1 M1 L1 C1 Ui TX1 1 2

Ls1

N1
0
C2 M2

N2
R1 C3

Lp Ls2

N2

D2

半桥电路既可以构成DC-AC电路, 又可以构成DC-DC电路。
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三、 主电路工作原理(6)——半桥
CCM工作模式时的等效电路
D1

1/2Ui
Ui

M1 L1 C1 TX1 1 2

Ls1 Lp Ls2

R1 C3 D2

1/2Ui

0
C2 M2

D1 M1 L1 C1 Ui
Lp Ls2

TX1

1

2

Ls1

R1 C3 D2

0
C2 M2

Uo 1 N 2 = D CCM工作模式下的输入输出关系为:M = 2010-7-12 U i 2 N1 39

三、 主电路工作原理(6)——半桥
DCM工作模式时第三个等效电路
D1 M1 L1 C1 Ui
Lp Ls2

TX1

1

2

Ls1

R1 C3 D2

0
C2 M2

Uo 1 N 2 1 + 4K ? 1 = , DCM工作模式下的电压增益M为:M = U i 2 N1 2K

4 L1 K= 2 D RTS
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空载时: M =

Uo N2 = U i 2N1
40

请自己根据参考书推导。

三、 主电路工作原理(6)——半桥
半桥电路的工作特点 1. 两管交替导通,改变占空比调节输出电压大小。 2. 由于电容C1和C2的隔直作用,该电路不易发生变压器偏 磁和直流磁饱和作用。 3. 半桥电路的开关管关断时承受的电压为电源电压值Ui。由 于开关管导通时,变压器原边电压只有电源电压的一半, 因此管子的电流等级要大一些。 4. 为了避免两只开关管同时导通引起电路短路,必须遵循 先关后开的原则。 5. 半桥电路中的变压器的利用率高,元件数量少,广泛应 用于数百瓦到几千瓦场合。
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三、 主电路工作原理(6)——半桥
但是为了让电路工作更加可靠的避 免变压器偏磁,可以采取串联电容 的方式:

串联电容半桥式变换器原理电路 (a)串联电容前交流电压,斜格面积表示A1、A2 的伏秒值不平衡波形 (b)串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡 图b变压器原边串联电容后的工作波形
2010-7-12 42

三、 主电路工作原理(7)——全桥
全桥型电路
L1 1 M3 M1 TX2 Ui C3 R1 D1 D3 2

M2 M4 D4 D2

全桥电路既可以构成DC-AC电路,又可以构成DC-DC电路。
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三、 主电路工作原理(7)——全桥
T1/T4 T2/T3 U1/U4 i1/i4 iL iD1/iD4

CCM工作模式时的各点波形
2010-7-12 44

三、 主电路工作原理(7)——全桥
L1 1 M3 M1 TX2 Ui C3 R1 D1 D3 2

M2 M4 D4 D2

L1 1 M3 M1 TX2 Ui C3 R1 D1 D3 2

M2 M4 D4 D2

L1 1 M3 M1 TX2 Ui C3 R1 D1 D3 2

M2 M4 D4 D2

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45

三、 主电路工作原理(7)——全桥
CCM工作模式时的电压增益M为:

Uo N 2 M= = D U i N1
DCM工作模式时的电压增益M为:

4 L1 Uo N 2 1 + 4K ? 1 ,K = 2 = M= D RTS 2K U i N1
电感电流断续时,输出电压将随着负载电流减小 而升高,在空载的极限情况下,

Uo N 2 = Ui M= U i N1
2010-7-12 46

三、 主电路工作原理(7)——全桥
全桥型电路的工作特点 1. 在相同电压和电流容量的开关器件时,全桥型电路可以 达到最大功率,因此全桥型电路常用于大功率的电源中。 其中采用移相软开关技术的全桥电路结构简单,效率高, 得到比较广泛的应用。 2. 由于四个开关管导通时间不对称,因此变压器原边的 交流电压中含有直流分量,会在变压器的一次电流中产 生很大的直流成分,并可能造成磁饱和,因此在全桥型 电路中要注意避免直流分量的产生。简单的办法就是在 变压器一次回路中传两一个电容,以阻断直流电流。 3. 为了避免两只开关管同时导通引起电路短路,必须遵循 先关后开的原则。 2010-7-12 47

三、 主电路工作原理(7)——推挽
推挽式电路(自学)

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48

三、 主电路工作原理(8)——整流
整流电路 常用整流电路分类: 1.桥式整流电路 2.全波整流电路 3.倍流整流电路 4.同步整流技术

2010-7-12

49

三、 主电路工作原理(8)——桥式整流
桥式整流电路 (输出电压高时采用,>100V)
L1 1 M3 M1 TX2 Ui C3 R1 D1 D3 2

M2 M4 D4 D2

图示各二极管承受的断态电压UD以及二极管的平均电流ID为: N I U R = 2 Ui I D = L1 N1 2 Uo CCM工作模式时各二极管承受的反向电压UD为: U R = D 2010-7-12 50

三、 主电路工作原理(8)——全波整流
全波整流电路(输出电压5~100V时采用,安全因素不采用)
D1 M1 L1 C1 Ui
Lp Ls2

TX1

1

2

Ls1

R1 C3 D2

0
C2 M2

图示各二极管承受的断态电压UD以及二极管的平均电流ID为:

N2 UR = ? Ui N1
2010-7-12

I L1 ID = 2
2U o D 51

CCM工作模式时各二极管承受的断态电压UD为: R = ? U

三、 主电路工作原理(8)——倍流整流
倍流整流电路 (输出二次侧匝数小于1匝)
D1 TX2 R1 C D3

2 L1

2 L2

1

1

倍流整流电路
2010-7-12 52

三、 主电路工作原理(8)——同步整流
同步整流电路 (输出电压<12V时采用)
L1 TX3 M1
Ls1 Lp Ls2

1

2

R1 C3

M1
M1 M2

TX2 R C

同步整流电路

2 L1

2 L2

1

1

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四、电力电子器件

? 二极管 ? 功率MOSFET ? 绝缘栅双极型晶体管IGBT

四、电力电子器件——二极管
反向恢复时间

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55

四、电力电子器件——二极管
? 整流二极管,与频率相关。 ? 反向恢复,
– 二极管正向导通后,在很短一段时间内能够流过反向电流。 – 传统的二极管的反向恢复时间有1us。

? 肖特基二极管
– 正向导通压降小 – 而且没有反向恢复时间 – 阳极和阴极直接的电容较大

? 越快越好吗?
– 通常情况是这样的。 – 但对于传统的工频整流器,频率为50Hz,不必在意1us左右的 反向恢复时间
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四、电力电子器件——功率MOSFET

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57

四、电力电子器件——功率MOSFET
? P沟道和N沟道
– 没有特别说明都是N沟道

? 双向导通
– 不考虑反向二极管,只要门极有电压,MOS管双向导通

? 损耗
– 导通损耗,门极充电损耗,开关损耗

? 需要门极电阻 ? 最大门极电压
– 不能超过20V,常用低于15V。

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58

四、电力电子器件——IGBT

2010-7-12

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五、无源器件

?电阻 ?电容 ? 磁芯
–电感 –变压器

电阻(1)

金属膜电阻

金属膜电阻

贴片电阻

水泥电阻
2010-7-12

精密电阻

绕线电阻

61

电阻(2)

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62

电阻(3)
? 电阻的类型:金属膜,绕线等。 ? 容差:通常1% ? 选择电阻比例:不一定要用到很准确的电阻,有准确 的比例就可以了。 ? 最大电压:通常电阻都有最大耐压值 ? 温度系数:通常温度变化时,电阻值变换非常大。 ? 额定功率:电阻要消耗功率 ? 无感绕线电阻:特殊绕线方式,几乎没有电感 ? 分流器:电阻非常小,比如100A,100mV的电阻
2010-7-12 63

五、无源器件——电容
CBB电容 贴片陶瓷 电容 铝电解 电容

薄膜 电容

薄膜 无感 电容

安规 电容

高压 瓷片 电容 2010-7-12

胆电容
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电容的特征
? 电容的种类:铝电解电容,钽电容,陶瓷电容,薄膜 电容 ? 标准值:与电阻不同,电容只有很少的标准值。 ? 容差:典型值20%,电解电容更差 ? ESR(等效串联电阻):电解电容的ESR很大,一般 高频情况下不能使用。 ? 老化:所谓的电源寿命:1000h,实际就是指电解电容 的寿命。 ? dV/dt:加在电容上的dV/dt是有限制的。 ? 电容的串联:需要均压
2010-7-12 65

五、无源器件——磁芯
铁氧体 骨架

铁粉芯

硅钢片 非晶合金

铁硅铝
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五、无源器件——变压器

电力变压器

工频变压器

工频变压器

高频变压器
2010-7-12

环形变压器
67

五、无源器件——电感

贴片电感

2010-7-12

68

END


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