變壓器中磁性元件的損耗詳解

1、變壓器中磁性元件的損耗詳解 今天我們來(lái)討論下電源電路中磁性元件的損耗。電源中的磁性元件一般就是指電感與變壓器，這里我們這種討論初次級(jí)隔離的變壓器，因?yàn)檫@種變壓器在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛。 變壓器的作用大致是提供初次級(jí)的電氣隔離，使輸出電壓或升或降，傳送能量；變壓器設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)電源系統(tǒng)的安規(guī)，EMC，效率，溫升，輸出的電氣性能參數(shù)，壽命，可靠性，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。升壓的做過(guò)，但經(jīng)驗(yàn)不多，說(shuō)說(shuō)個(gè)人的理解，不一定對(duì)，權(quán)作參考與討論之用。升壓變壓器的難點(diǎn)，樓上已經(jīng)指出來(lái)了，因?yàn)槔@組的圈數(shù)太多，漏感與分布電容很難兩全其美；這個(gè)時(shí)候我覺(jué)得應(yīng)該從以下幾個(gè)方面著手：1、在選擇變壓器的時(shí)候，如果

2、結(jié)構(gòu)尺寸允許的話，我們盡量選擇高長(zhǎng)型（立式）或窄長(zhǎng)（臥式）型的，因?yàn)檫@種變壓器單層繞線圈數(shù)多，可以有效降低繞線的層數(shù)，增加初次級(jí)的耦合，減小層間電容。2、優(yōu)化繞線順序，使初次級(jí)能增減耦合面積；曾經(jīng)用過(guò)這種繞法：1/3次級(jí)-1/2初級(jí)-1/3次級(jí)-1/2初級(jí)-1/3次級(jí)，結(jié)果表明此種繞法漏感可以小很多。當(dāng)然這種變壓器繞制工藝稍顯復(fù)雜，成本稍高，但還是可以接受。3、層間電容大家都知道，每層之間加黃膠帶，便可減少層間電容。當(dāng)然這些措施都是在考慮安規(guī)與EMC的情況下，做出的改進(jìn)；對(duì)于升壓電源，漏感與層間電容如果處理不好很容易引起振蕩，使電源的EMC不好過(guò)，效率不高，有時(shí)會(huì)莫名其妙的炸MOS管（我實(shí)際碰

3、到過(guò)的情況）。我們知道變壓器的損耗分為鐵損與銅損，先來(lái)說(shuō)說(shuō)鐵損吧。變壓器的鐵損包括三個(gè)方面：一是磁滯損耗，當(dāng)交流電流通過(guò)變壓器時(shí)，通過(guò)變壓器磁芯的磁力線其方向和大小隨之變化，使得磁芯內(nèi)部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。二是渦流損耗，當(dāng)變壓器工作時(shí)。磁芯中有磁力線穿過(guò)，在與磁力線垂直的平面上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于此電流自成閉合回路形成環(huán)流，且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使磁芯發(fā)熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。三是剩余損耗，在磁芯磁化或反磁化的過(guò)程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強(qiáng)度變化而立即變化，有個(gè)滯后時(shí)間，滯后效應(yīng)便是引起剩余損耗的原因。從鐵損包含的三個(gè)個(gè)方面的

4、定義上看，只要控制磁力線的大小便可降低磁滯損耗，減少磁芯與磁力線垂直的面積可以減少渦流損耗。趙老師在開關(guān)電源中磁性元器件一書中指出：由上面的話可以看出，在磁芯材質(zhì)與形狀，體積等都確定的情況下，變壓器的鐵損與變壓器的工作頻率以及磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅deltB成正比。磁滯在低場(chǎng)下可以不予考慮，渦流在低頻下也可忽略，剩下的就是剩余損耗。在磁感應(yīng)強(qiáng)度較高或工作頻率較高時(shí)，各種損耗互相影響難于分開。故在涉及磁損耗大小時(shí)，應(yīng)注明工作頻率f以及對(duì)應(yīng)的Bm值。但在低頻弱場(chǎng)下，可用三者的代數(shù)和表示：tanm= tanh+tanf+tanr。式中tanh tanf tanr分別為：磁滯損耗角正切，渦流損耗角正切，剩余損

5、耗角正切。各種損耗隨頻率的變化關(guān)系如圖。 由圖可見(jiàn)，剩余損耗和B的大小無(wú)關(guān)，但隨頻率增大而增大。而磁滯損耗隨B的增加增大，渦流損耗則和頻率成線性變化。了解了這些就可知：在正激和橋式電源中，磁芯損耗著重考慮渦流損耗。在反激變壓器和儲(chǔ)能電感中，既要考慮渦流損耗又要考慮磁滯損耗，尤其是DCM方式工作的電源，磁滯損耗是第一位的。所以可以確定，做電源時(shí)第一點(diǎn)就是根據(jù)電源的工作頻率選取相應(yīng)的磁芯材料。下面我們開始來(lái)討論下變壓器的銅損。變壓器的銅損即變壓器繞組的損耗，包含直流損耗與交流損耗。直流損耗主要是因?yàn)槔@變壓器的銅漆包線，對(duì)通過(guò)它的電流有一定的阻抗（Rdc）而引起的損耗。此電流指的是各個(gè)繞組電流波形的

6、有效值。直流損耗跟電流大小的平方成正比。相對(duì)來(lái)說(shuō)，交流損耗就復(fù)雜得多，包含繞組的趨膚效應(yīng)，臨近效應(yīng)引起的損耗，同樣還包括各次諧波引起的損耗。先說(shuō)直流阻抗，形成原因上面說(shuō)了。下面我們來(lái)分析怎樣減少直流損耗首先，給出直流損耗計(jì)算公式：Pdc=(Irms)2*Rdc由上面的公式可見(jiàn)，對(duì)于電流有效值一定的情況下，只要降低繞組的直流等效電阻就可以降低繞組的直流損耗。我們知道繞組的電阻與材質(zhì)，長(zhǎng)度，截面積甚至溫度（關(guān)系很?。┑扔嘘P(guān)，那么我們就可以采用如下方法來(lái)降低繞組的直流損耗：1、采用電阻率小的導(dǎo)體來(lái)繞制變壓器，一般采用銅漆包線，盡量不用銅包鋁漆包線或鋁漆包線2、在變壓器窗口面積允許的情況下，盡量用大一

7、點(diǎn)的等效截面積的漆包線(單根線不要超出穿透深度，后面會(huì)分析)3、適當(dāng)減少繞組的匝數(shù)（會(huì)增加鐵損），慎用先來(lái)看看集膚效應(yīng)的定義：集膚效應(yīng)又叫趨膚效應(yīng)，是指導(dǎo)體通過(guò)交流電流時(shí)，在導(dǎo)體截面中，存在邊緣部分電流密度大，中心部分電流密度小的現(xiàn)象。肌膚效應(yīng)產(chǎn)生的原理比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單的表述為：如上圖，設(shè)流過(guò)導(dǎo)體的電流為i，方向如圖。根據(jù)右手法則， 則要產(chǎn)生m.m.f的磁場(chǎng)，并垂直電流方向，如圖的八個(gè)小圓圈就是進(jìn)入與離開道題的磁力線。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)，磁力線通過(guò)導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生渦流，方向如圖中8個(gè)小圓圈周圍的大圓圈方向所示。由圖可知，渦流的方向加強(qiáng)了導(dǎo)體邊緣電流，抵消了導(dǎo)體中心的電流，這便是集膚效應(yīng)產(chǎn)生的原理。關(guān)于

8、集膚效應(yīng)，趙修科老師在開關(guān)電源中的磁性元件一書中有過(guò)詳細(xì)的論述在這里再引入一個(gè)名詞：穿透深度定義：當(dāng)導(dǎo)通流過(guò)高頻電流時(shí)，由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流從導(dǎo)通表層流過(guò)，此表層的厚度稱為穿透深度或趨膚深度，用“”表示需要說(shuō)明的是穿透深度指的是導(dǎo)體的半徑。穿透深度跟工作溫度，導(dǎo)體的電阻率，導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率以及頻率等因素有關(guān)其計(jì)算公式為=65.5/f（mm） 20=76.5/f（mm） 100公式我就不推導(dǎo)了，有興趣可以參閱相關(guān)資料。由上面的公式不難看出，工作頻率越高，導(dǎo)線的穿透深度就越低，所以廣大工程師在設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候，一定要考慮頻率對(duì)導(dǎo)線的穿透深度影響。電流減少，但電流的方向還是不變的，所以產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向

9、還是不變的這里只是解釋了集膚效應(yīng)產(chǎn)生的原理，所以沒(méi)有提頻率的影響，我是這樣理解的：頻率越高，那么電流變化率越大，就意味著產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生的渦流對(duì)中心的電流阻礙作用就越大，所以就有了一個(gè)穿透深度的問(wèn)題下面來(lái)看臨近效應(yīng)定義：當(dāng)兩個(gè)相鄰導(dǎo)體流過(guò)方向相反的電流時(shí)，相互之間會(huì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，而磁動(dòng)勢(shì)在對(duì)方的導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生渦流，此渦流導(dǎo)致導(dǎo)體相互靠近的地方電流加強(qiáng)，而相互遠(yuǎn)離的地方電流減弱。由上圖可知，臨近效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)體有部分流過(guò)的電流小甚至不流過(guò)電流，而有一部分流過(guò)的電流則很大，這個(gè)會(huì)引起很大的熱損耗，在導(dǎo)線較粗的情況下尤為明顯。實(shí)踐證明，臨近效應(yīng)跟繞線的層數(shù)密切相關(guān)，臨近效應(yīng)隨繞線層數(shù)的增加呈指數(shù)規(guī)律增加關(guān)于臨近效應(yīng)的產(chǎn)生原理，趙修科老師有非常詳細(xì)與精彩的分析磁性元件的設(shè)計(jì)中存在太多的不確定因素，