《電子技術(shù)應(yīng)用》
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變壓器中磁性元件的損耗問題詳解
摘要: 今天我們來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
Abstract:
Key words :
</a>磁性元件" title="磁性元件">磁性元件" title="磁性元件">磁性元件" title="磁性元件">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" title="開關(guān)電源">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,甚至會導致系統(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" title="漏感">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" title="磁芯">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:

  


 

  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:tanδm= tanδh+tanδf+tanδr。式中tanδh tanδf tanδr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。

  

 

  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)^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),是指導體通過交流電流時,在導體截面中,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)生的原理比較復雜,簡單的表述為:

  

 

  如上圖,設(shè)流過導體的電流為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體邊緣電流,抵消了導體中心的電流,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

  

 

  

 

  在這里再引入一個名詞:穿透深度

  定義:當導通流過高頻電流時,由于趨膚效應(yīng)導致電流從導通表層流過,此表層的厚度稱為穿透深度或趨膚深度,用“Δ”表示

  需要說明的是穿透深度指的是導體的半徑。

  穿透深度跟工作溫度,導體的電阻率,導體的相對磁導率以及頻率等因素有關(guān)

  其計算公式為

  Δ=65.5/√f(mm) 20℃

  Δ=76.5/√f(mm) 100℃

  公式我就不推導了,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體中會產(chǎn)生渦流,此渦流導致導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)導致導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

  

 

  

 

  磁性元件的設(shè)計中存在太多的不確定因素,比如同樣的繞制工藝要求,不同廠家做出來的會有小小的差異,還有磁芯材質(zhì)的差異,因為不是每個工廠都用得起TDK的磁芯,所以,我認為設(shè)計是需要豐富的經(jīng)驗加上實際的調(diào)試來確定最終參數(shù)。

  我一般都是線大概計算下參數(shù),然后在實際中調(diào)試,最終確定的參數(shù)主要是看調(diào)試的效果。

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