變壓器中磁性元件的損耗問題詳解

變壓器中磁性元件的損耗問題詳解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隔離的變壓器，因為這種變壓器在開關(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的電氣隔離，使輸出電壓或升或降，傳送能量;變壓器設(shè)計的好壞直接關(guān)系到整個電源系統(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，但經(jīng)驗不多，說說個人的理解，不一定對，權(quán)作參考與討論之用。升壓變壓器的難點，樓上已經(jīng)指出來了，因為繞組的圈數(shù)太多，漏感與分布電容很難兩全其美;這個時候我覺得應(yīng)該從以下幾個方面著手：1、在選擇變壓器的時候，如果結(jié)構(gòu)尺寸允許的話，我們盡量選擇高長型（立式）或窄長（臥式）型的，因為這種變壓器單層繞線圈數(shù)多，可以有效降低繞線的層數(shù)，增加初次級的耦合，減小層間電容。2、優(yōu)化繞線順序，使初次級能增減耦合面積;曾經(jīng)用過這種繞法：1/3次級--1/2初級--1/3次級--1/2初級--1/3次級，結(jié)果表明此種繞法漏感可以小很多。當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。當然這些措施都是在考慮安規(guī)與EMC的情況下，做出的改進;對于升壓電源，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，效率不高，有時會莫名其妙的炸MOS管（我實際碰到過的情況）。我們知道變壓器的損耗分為鐵損與銅損，先來說說鐵損吧。變壓器的鐵損包括三個方面：一是磁滯損耗，當交流電流通過變壓器時，通過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，當變壓器工作時。磁芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產(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程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強度變化而立即變化，有個滯后時間，滯后效應(yīng)便是引起剩余損耗的原因。從鐵損包含的三個個方面的定義上看，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：—上一析可見.在交變財申.越芯也位體和巾:儲能吊損K泡取技于想介產(chǎn)小q的電阻率.罐構(gòu)/狀等因素.紀取提干交登槌場的轉(zhuǎn)率和曲應(yīng)強度牲幅&對于合金鐵城利咫而官.在任樹飄出用稅寫的此一is內(nèi).一——由品和，決鼠,一般可用一式衰.式中11f隹號壯（?彘后不一失外妙而亮'：曲*也棒那在低領(lǐng)日八造芯解稱卮疑劫廖熹熊X中奉縱區(qū)熊N與■, 弼源損耗和剩滎很彩用過「灌將同盛芯眼凡川在小為pr=7r由產(chǎn) 科也）式中n和方分別為人rL的艇率和座:惦應(yīng)料耗指數(shù)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)強度擺幅deltB成正比。磁滯在低場下可以不予考慮，渦流在低頻下也可忽略，剩下的就是剩余損耗。在磁感應(yīng)強度較高或工作頻率較高時，各種損耗互相影響難于分開。故在涉及磁損耗大小時，應(yīng)注明工作頻率f以及對應(yīng)的Bm值。但在低頻弱場下，可用三者的代數(shù)和表示：t m=t t￡式中11t 分別為：磁滯損耗角正切，渦流損耗角正切，剩余損耗角正切。各種損耗隨頻率的變化關(guān)系如圖。各種才員耕港頻率的變化關(guān)系由圖可見，剩余損耗和B的大小無關(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，做電源時第一點就是根據(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。直流損耗主要是因為繞變壓器的銅漆包線，對通過它的電流有一定的阻抗(Rdc)而引起的損耗。此電流指的是各個繞組電流波形的有效值。直流損耗跟電流大小的平方成正比。相對來說，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。先說直流阻抗，形成原因上面說了。下面我們來分析怎樣減少直流損耗首先，給出直流損耗計算公式：Pdc=(Irms)八2*Rdc由上面的公式可見，對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)，長度，截面積甚至溫度(關(guān)系很小)等有關(guān)，那么我們就可以采用如下方法來降低繞組的直流損耗：1、采用電阻率小的導(dǎo)體來繞制變壓器，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，盡量用大一點的等效截面積的漆包線（單根線不要超出穿透深度，后面會分析）3、適當減少繞組的匝數(shù)（會增加鐵損），慎用先來看看集膚效應(yīng)的定義：集膚效應(yīng)又叫趨膚效應(yīng)，是指導(dǎo)體通過交流電流時，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，簡單的表述為：渦流方向與原電潦抵消進入剖面的磁力陵引起的薪流耦流方向使原電流加強渦流方向與原電潦抵消進入剖面的磁力陵引起的薪流耦流方向使原電流加強陶升剖面的磁力線引起的渦流如上圖，設(shè)流過導(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，并垂直電流方向，如圖的八個小圓圈就是進入與離開道題的磁力線。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)，磁力線通過導(dǎo)體會產(chǎn)生渦流，方向如圖中8個小圓圈周圍的大圓圈方向所示。由圖可知，渦流的方向加強了導(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》一書中有過詳細的論述

圖6-2圖6-2高頻電流引起

集膚效應(yīng)節(jié)號體通過高頻電流i時，變化的電流就要在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生變化的磁場（圖6-2中LT-3和4-56》一直廣電流方向*根據(jù)電磁述痛定律，高頻磁場在導(dǎo)體內(nèi)沿長度方句的兩個平?面L和N產(chǎn)生感應(yīng)電以叱明嚼的笑/盥電弓陰悔步向產(chǎn)生的渦流（abca和d-r?也l"陽跖叔伯嬌J?ifU行到渦流的ab和€—f邊。主電流口一A方向一致，而b—{:邊和d—亡邊?？谝籄相反.這科?卜:電流和渦流之和在導(dǎo)線表仰加強.越向?qū)Ь€中心越弱，在這里再引入一個名詞：穿透深度定義：當導(dǎo)通流過高頻電流時，由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流從導(dǎo)通表層流過，此表層的厚度稱為穿透深度或趨膚深度，用皿表示需要說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)體的相對磁導(dǎo)率以及頻率等因素有關(guān)其計算公式為N.5/fmm）20 ℃N.5/fmm）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)計變壓器的時候，一定要考慮頻率對導(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)生的磁場方向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)生磁場強度越強，也就是說產(chǎn)生的渦流對中心的電流阻礙作用就越大，所以就有了一個穿透深度的問題下面來看臨近效應(yīng)定義：當兩個相鄰導(dǎo)體流過方向相反的電流時，相互之間會產(chǎn)生磁動勢，而磁動勢在對方的導(dǎo)體中會產(chǎn)生渦流，此渦流導(dǎo)致導(dǎo)體相互靠近的地方電流加強，而相互遠離的地方電流減弱。由上圖可知，臨近效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)體有部分流過的電流小甚至不流過電流，而有一部分流過的電流則很大，這個會引起很大的熱損耗，在導(dǎo)線較粗的情況下尤為明顯。實踐證明，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與精彩的分析當回渝導(dǎo)中件近時,它的的均向次用加。件詞L凸中已畀什利”的根流過相反電流守茂之時的庭場仔tn，場的強嗖犀強.。由：兩帶戰(zhàn)外側(cè)，㈣城場抵希?幽場強度血弱;現(xiàn)存來考察西根相爭的用屁更璃糊面UXb)導(dǎo)掉.兩根導(dǎo)隱藻過和反的電號口和宿導(dǎo)線的股而此:陽用』U＞所示.表示流出紙面？*+”表示流入紙面口和圖L3一樣.在兩導(dǎo)悻相翎之間，磁場方向相同而加修1兩野鼻之外耨，磁場和反山和錯口喀場j呼邵會與林禮墨■朗牛上咋外閭同內(nèi)逐席加強，到達身體的內(nèi)找即時越壇於尚由-(-*fe-h網(wǎng)若蚓j新示兩根導(dǎo)密急透箍禰施也阿泰高演電源山和玷時，導(dǎo)悻且沌過的電沌WF?:的皓場前穿過導(dǎo)冰瓦與菜味效應(yīng)由1乩在導(dǎo)體R中產(chǎn)"渦淞啟左近a的一邊渦波與打的方向黃，榴“已加：而聲遠離a的呦，渦渝與后方向批反內(nèi)抵精.同理導(dǎo)捶A中的電流受到尋娥B(yǎng)