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开关电源磁性元件:损耗竟有这么多

2018-12-04 10:55:10 来源:电源Fun

开关电源磁性元件一般指变压器和电感。变压器在开关电源中应用非常广泛,变压器的作用大致是提供初级和次级的电气隔离,使输出电压或升或降,传送能量。电感在开关电源中起着储能和滤波作用。

开关电源磁性元件一般指变压器和电感。变压器在开关电源中应用非常广泛,变压器的作用大致是提供初级和次级的电气隔离,使输出电压或升或降,传送能量。电感在开关电源中起着储能和滤波作用。在典型的降压转换中,电感的一端是连接到DC输出电压,另一端通过开关频率切换连接到输入电压或者GND,在开关判断期间对负载提供持续的能量。

通常情况下,磁性元件的损耗占开关电源总损耗的15%左右,了解磁性元件的损耗的组成对提高电源效率具有重要意义。

与变压器和电感有关的损耗主要有三种:磁滞损耗、涡流损耗和电阻损耗。在设计和构造变压器和电感时可以控制这些损耗。

磁滞损耗

磁滞损耗与绕组的匝数和驱动方式有关。它决定了每个工作周期在B-H曲线内扫过的面积。扫过的面积就是磁场力所作的功,磁场力使磁心内的磁畴重新排列,扫过的面积越大,磁滞损耗就越大。该损耗由式(6)给出。

开关电源磁性元件:损耗竟有这么多

如公式中所见,损耗是与工作频率和最大工作磁通密度的二次方成正比。虽然这个损耗不如功率开关和整流器内部的损耗大,但是处理不当也会成为一个问题。在100kHz时,Bmax应设定为材料饱和磁通密度Bsat 的50%。在500kHz时,Bmax应设定为材料饱和磁通密度Bsat的25%。在1MHz时,Bmax应设定为材料饱和磁通密度Bsat的10%。这是依据铁磁材料在开关电源(3C8等)中所表现出来的特性决定的。

开关电源磁性元件:损耗竟有这么多

涡流损耗

当变压器工作时。磁芯中有磁力线穿过,在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流,由于电流自成闭合回路形成环流,且成旋涡状,故称为涡流。涡流的存在使磁芯发热,消耗能量,这种损耗称为涡流损耗。

涡流损耗比磁滞损耗小得多,但随着工作频率的提高而迅速增加,如式(7)所示。

开关电源磁性元件:损耗竟有这么多

涡流是在强磁场中磁心内部大范围内感应的环流。一般设计者没有太多办法来减少这个损耗。

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电阻损耗

电阻损耗是变压器或电感内部绕组的电阻产生的损耗。有两种形式的电阻损耗:直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗。直流电阻损耗由绕组导线的电阻与流过的电流有效值二次方的乘积所决定。集肤效应是由于在导线内强交流电磁场作用下,导线中心的电流被“推向”导线表面而使导线的电阻实际增加所致,电流在更小的截面中流动使导线的有效直径显得小了。式(8)给出了这两个损耗在一个表达式中的计算式。

开关电源磁性元件:损耗竟有这么多

漏感(用串联于绕组的小电感表示)使一部分磁通不与磁心交链而漏到周围的空气和材料中。它的特性并不受与之相关的变压器或电感的影响,因此绕组的反射阻抗并不影响漏感的性能。

漏感会带来一个问题,因为它没有将功率传递到负载,而是在周围的元件中产生振荡能量。在变压器和电感的结构设计中,要控制绕组的漏感大小。每一个的漏感值都会不同,但能控制到某个额定值。

一些减少绕组漏感的通用经验法则是:加长绕组的长度、离磁心距离更近、绕组之间的紧耦合技术,以及相近的匝比(如接近1:1)。对通常用于DC-DC变换器的E-E型磁心,预计的漏感值是绕组电感的3%~5%。在离线式变换器中,一次绕组的漏感可能高达绕组电感的12%,如果变压器要满足严格的安全规程的话。用来绝缘绕组的胶带会使绕组更短,并使绕组远离磁心和其他绕组。

后面可以看到,漏感引起的附加损耗可以被利用。

在直流磁铁的应用场合,沿磁心的磁路一般需要有一个气隙。在铁氧体磁心中,气隙是在磁心的中部,磁通从磁心的一端流向另一端,尽管磁力线会从磁心的中心向外散开。气隙的存在产生了一块密集的磁通区域,这会引起临近线圈或靠近气隙的金属部件内的涡流流动。这个损耗一般不是很大,但很难确定。

直流损耗主要是因为电流流过变压器绕组的实阻抗而引起的损耗,正比于电流有效值大小的平方。P=I²xR

而交流损耗则相对复杂,包含绕组趋肤效应,临近效应引起的损耗。

集肤效应

集肤效应又叫趋肤效应,是指导体通过交流电流时,在导体截面中,存在边缘部分电流密度大,中心部分电流密小的现象。电流流过导体时,会产生磁场。对于交变的电流,则会产生交变的磁场。根据法拉第电磁感应,导体本身会产生涡流,引起损耗。

开关电源磁性元件:损耗竟有这么多

邻近效应

当两个相邻导体流过方向相反的电流时,相互之间会产生磁动势,则磁动势在对方导体中会产生涡流,引起损耗。

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