变压器中磁性元件的损耗问题详解

变压器中磁性元件的损耗问题详解电源电路中磁性元件的损耗。电源中的磁性元件一般就是指电感与变压器，这里我们这种讨论初次级隔离的变压器，因为这种变压器在开关电源中应用最为广泛。变压器的作用大致是提供初次级的电气隔离，使输出电压或升或降，传送能量;变压器设计的好坏直接关系到整个电源系统的安规，EMC，效率，温升，输出的电气性能参数，寿命，可靠性，甚至会导致系统的崩溃。升压的做过，但经验不多，说说个人的理解，不一定对，权作参考与讨论之用。升压变压器的难点，楼上已经指出来了，因为绕组的圈数太多，漏感与分布电容很难两全其美;这个时候我觉得应该从以下几个方面着手：1、在选择变压器的时候，如果结构尺寸允许的话，我们尽量选择高长型（立式）或窄长（卧式）型的，因为这种变压器单层绕线圈数多，可以有效降低绕线的层数，增加初次级的耦合，减小层间电容。2、优化绕线顺序，使初次级能增减耦合面积;曾经用过这种绕法：1/3次级--1/2初级--1/3次级--1/2初级--1/3次级，结果表明此种绕法漏感可以小很多。当然这种变压器绕制工艺稍显复杂，成本稍高，但还是可以接受。3、层间电容大家都知道，每层之间加黄胶带，便可减少层间电容。当然这些措施都是在考虑安规与EMC的情况下，做出的改进;对于升压电源，漏感与层间电容如果处理不好很容易引起振荡，使电源的EMC不好过，效率不高，有时会莫名其妙的炸MOS管（我实际碰到过的情况）。我们知道变压器的损耗分为铁损与铜损，先来说说铁损吧。变压器的铁损包括三个方面：一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器磁芯的磁力线其方向和大小随之变化，使得磁芯内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗。二是涡流损耗，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，由于此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。三是剩余损耗，在磁芯磁化或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度变化而立即变化，有个滞后时间，滞后效应便是引起剩余损耗的原因。从铁损包含的三个个方面的定义上看，只要控制磁力线的大小便可降低磁滞损耗，减少磁芯与磁力线垂直的面积可以减少涡流损耗。赵老师在《开关电源中磁性元器件》一书中指出：—上一析可见.在交变财申.越芯也位体和巾:储能吊损K泡取技于想介产小q的电阻率.罐构/状等因素.纪取提干交登槌场的转率和曲应强度牲幅&对于合金铁城利咫而官.在任树飘出用税写的此一is内.一——由品和，决鼠,一般可用一式衰.式中11f隹号壮（।彘后不一失外妙而亮'：曲*也棒那在低领日八造芯解称卮疑劫廖熹熊X中奉纵区熊N与■, 弼源损耗和剩荥很彩用过「灌将同盛芯眼凡川在小为pr=7r由产 科也）式中n和方分别为人rL的艇率和座:惦应料耗指数由上面的话可以看出，在磁芯材质与形状，体积等都确定的情况下，变压器的铁损与变压器的工作频率以及磁感应强度摆幅deltB成正比。磁滞在低场下可以不予考虑，涡流在低频下也可忽略，剩下的就是剩余损耗。在磁感应强度较高或工作频率较高时，各种损耗互相影响难于分开。故在涉及磁损耗大小时，应注明工作频率f以及对应的Bm值。但在低频弱场下，可用三者的代数和表示：t m=t t£式中11t 分别为：磁滞损耗角正切，涡流损耗角正切，剩余损耗角正切。各种损耗随频率的变化关系如图。各种才员耕港频率的变化关系由图可见，剩余损耗和B的大小无关，但随频率增大而增大。而磁滞损耗随B的增加增大，涡流损耗则和频率成线性变化。了解了这些就可知：在正激和桥式电源中，磁芯损耗着重考虑涡流损耗。在反激变压器和储能电感中，既要考虑涡流损耗又要考虑磁滞损耗，尤其是DCM方式工作的电源，磁滞损耗是第一位的。所以可以确定，做电源时第一点就是根据电源的工作频率选取相应的磁芯材料。下面我们开始来讨论下变压器的铜损。变压器的铜损即变压器绕组的损耗，包含直流损耗与交流损耗。直流损耗主要是因为绕变压器的铜漆包线，对通过它的电流有一定的阻抗(Rdc)而引起的损耗。此电流指的是各个绕组电流波形的有效值。直流损耗跟电流大小的平方成正比。相对来说，交流损耗就复杂得多，包含绕组的趋肤效应，临近效应引起的损耗，同样还包括各次谐波引起的损耗。先说直流阻抗，形成原因上面说了。下面我们来分析怎样减少直流损耗首先，给出直流损耗计算公式：Pdc=(Irms)八2*Rdc由上面的公式可见，对于电流有效值一定的情况下，只要降低绕组的直流等效电阻就可以降低绕组的直流损耗。我们知道绕组的电阻与材质，长度，截面积甚至温度(关系很小)等有关，那么我们就可以采用如下方法来降低绕组的直流损耗：1、采用电阻率小的导体来绕制变压器，一般采用铜漆包线，尽量不用铜包铝漆包线或铝漆包线

2、在变压器窗口面积允许的情况下，尽量用大一点的等效截面积的漆包线（单根线不要超出穿透深度，后面会分析）3、适当减少绕组的匝数（会增加铁损），慎用先来看看集肤效应的定义：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，中心部分电流密度小的现象。肌肤效应产生的原理比较复杂，简单的表述为：涡流方向与原电潦抵消进入剖面的磁力陵引起的薪流耦流方向使原电流加强涡流方向与原电潦抵消进入剖面的磁力陵引起的薪流耦流方向使原电流加强陶升剖面的磁力线引起的涡流如上图，设流过导体的电流为i，方向如图。根据右手法则，则要产生m.m.f的磁场，并垂直电流方向，如图的八个小圆圈就是进入与离开道题的磁力线。根据法拉第电磁感应，磁力线通过导体会产生涡流，方向如图中8个小圆圈周围的大圆圈方向所示。由图可知，涡流的方向加强了导体边缘电流，抵消了导体中心的电流，这便是集肤效应产生的原理。关于集肤效应，赵修科老师在《开关电源中的磁性元件》一书中有过详细的论述

图6-2图6-2高频电流引起

集肤效应节号体通过高频电流i时，变化的电流就要在导体内和导体外产生变化的磁场（图6-2中LT-3和4-56》一直广电流方向*根据电磁述痛定律，高频磁场在导体内沿长度方句的两个平•面L和N产生感应电以叱明嚼的笑/盥电弓阴悔步向产生的涡流（abca和d-r•也l"阳跖叔伯娇J।ifU行到涡流的ab和€—f边。主电流口一A方向一致，而b—{:边和d—亡边叮口一A相反.这科•卜:电流和涡流之和在导线表仰加强.越向导线中心越弱，在这里再引入一个名词：穿透深度定义：当导通流过高频电流时，由于趋肤效应导致电流从导通表层流过，此表层的厚度称为穿透深度或趋肤深度，用皿表示需要说明的是穿透深度指的是导体的半径。穿透深度跟工作温度，导体的电阻率，导体的相对磁导率以及频率等因素有关其计算公式为N.5/fmm）20 ℃N.5/fmm）100 ℃公式我就不推导了，有兴趣可以参阅相关资料。由上面的公式不难看出，工作频率越高，导线的穿透深度就越低，所以广大工程师在设计变压器的时候，一定要考虑频率对导线的穿透深度影响。电流减少，但电流的方向还是不变的，所以产生的磁场方向还是不变的这里只是解释了集肤效应产生的原理，所以没有提频率的影响，我是这样理解的:频率越高，那么电流变化率越大，就意味着产生磁场强度越强，也就是说产生的涡流对中心的电流阻碍作用就越大，所以就有了一个穿透深度的问题下面来看临近效应定义：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，而磁动势在对方的导体中会产生涡流，此涡流导致导体相互靠近的地方电流加强，而相互远离的地方电流减弱。由上图可知，临近效应导致导体有部分流过的电流小甚至不流过电流，而有一部分流过的电流则很大，这个会引起很大的热损耗，在导线较粗的情况下尤为明显。实践证明，临近效应跟绕线的层数密切相关，临近效应随绕线层数的增加呈指数规律增加关于临近效应的产生原理，赵修科老师有非常详细与精彩的分析当回渝导中件近时,它的的均向次用加。件词L凸中已畀什利”的根流过相反电流守茂之时的庭场仔tn，场的强嗖犀强.。由：两带战外侧，㈣城场抵希・幽场强度血弱;现存来考察西根相争的用屁更璃糊面UXb)导掉.两根导隐藻过和反的电号口和宿导线的股而此:阳用』U＞所示.表示流出纸面？*+”表示流入纸面口和图L3一样.在两导悻相翎之间，磁场方向相同而加修1两野鼻之外耨，磁场和反山和错口喀场j呼邵会与林礼墨■朗牛上咋外闾同内逐席加强，到达身体的内找即时越坛於尚由-(-*fe-h网若蚓j新示两根导密急透箍祢施也阿泰高演电源山和玷时，导悻且沌过的电沌WF•:的皓场前穿过导冰瓦与菜味效应由1乩在导体R中产"涡淞启左近a的一边涡波与打的方向黄，榴“已加：而声远离a的呦，涡渝与后方向批反内抵精.同理导捶A中的电流受到寻娥B