減少開關(guān)電源變壓器損耗方法與開關(guān)電源變壓器的渦流損耗分析

　　開關(guān)電源變壓器是加入了開關(guān)管的電源變壓器，在電路中除了普通變壓器的電壓變換功能，還兼具絕緣隔離與功率傳送功能一般用在開關(guān)電源等涉及高頻電路的場(chǎng)合。開關(guān)電源變壓器和開關(guān)管一起構(gòu)成一個(gè)自激（或他激）式的間歇震蕩器，從而把輸入直流電壓調(diào)制成一個(gè)高頻脈沖電壓。

　　起到能量傳遞和轉(zhuǎn)換作用。在反激式電路中， 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器把電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)則釋放出來(lái)。 在正激式電路中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓直接向負(fù)載供給并把能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能電感中。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，再由儲(chǔ)能電感進(jìn)行續(xù) 流向負(fù)載傳遞。把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需的各種低壓。

　　如何減少開關(guān)電源變壓器的損耗：

　　減少銅損

　　1、選用更低的電流密度;

　　2、減少匝數(shù)，但會(huì)增加磁心的磁通密度而增加鐵損，當(dāng)銅損明顯高于鐵損時(shí)使用，慎用;

　　3、改變變壓器工藝以減少繞組交流電阻。方法有主要有減小銅線直徑（不能減少總截面積），增加初次級(jí)相鄰面（會(huì)增加初次級(jí)分布電容），減小初次級(jí)距離（會(huì)增加初次級(jí)分布電容），線圈疏饒等;

　　4、改變電路工作參數(shù)以減少交流電阻，比如降低開關(guān)頻率，但是會(huì)增加磁心的磁通密度而增加鐵損，當(dāng)銅損明顯高于鐵損時(shí)使用，慎用;

　　5、使用更低電阻率的導(dǎo)線。

　　減少鐵損

　　1、改用功耗參數(shù)更優(yōu)秀的磁心材料，比如使用TDK的PC50材料替代PC40材料;

　　2、降低磁通密度，但會(huì)增加線圈匝數(shù)而導(dǎo)致銅損增大，慎用;

　　3、改變電路參數(shù)，比如降低開關(guān)頻率，但會(huì)同時(shí)增加磁通密度，慎用，必要時(shí)配合繞組匝數(shù)調(diào)整;

　　4、合理熱設(shè)計(jì)，利用磁心材料溫度與損耗曲線中的谷值。

　　綜合方法

　　1、根據(jù)各自散熱條件，合理分配銅損鐵損比例;

　　2、合理設(shè)計(jì)磁心的磁通密度和工作頻率，使磁心工作于最佳的FB組合狀態(tài)。

　　開關(guān)電源變壓器的渦流損耗分析：

　　開關(guān)電源變壓器的渦流損耗在開關(guān)電源的總損耗中所占的比例很大，如何降低開關(guān)電源變壓器的渦流損耗，是開關(guān)電源變壓器或開關(guān)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。變壓器生產(chǎn)渦流損耗的原理是比較簡(jiǎn)單的，由于變壓器鐵芯除了是一種很好的導(dǎo)磁材料以外，同時(shí)它也屬于一種導(dǎo)電體;當(dāng)交變磁力線從導(dǎo)電體中穿過(guò)時(shí)，導(dǎo)電體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，在導(dǎo)電體中就會(huì)產(chǎn)生回路電流使導(dǎo)體發(fā)熱;這種由于交變磁力線穿過(guò)導(dǎo)體，并在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和回路電流的現(xiàn)象，人們把它稱為渦流，因?yàn)樗a(chǎn)生的回路電流沒有作為能量向外輸出，而是損耗在自身的導(dǎo)體之中。

　　單激式開關(guān)電源變壓器的渦流損耗計(jì)算與雙激式開關(guān)電源變壓器的渦流損耗計(jì)算，在方法上是有區(qū)別的。但用于計(jì)算單激式開關(guān)電源變壓器渦流損耗的方法，只需稍微變換，就可以用于對(duì)雙激式開關(guān)電源變壓器的渦流損耗進(jìn)行計(jì)算。例如，把雙激式開關(guān)電源變壓器的雙極性輸入電壓，分別看成是兩次極性不同的單極性輸入電壓，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于雙激式開關(guān)電源變壓器渦流損耗的計(jì)算。因此，下面僅對(duì)單激式開關(guān)電源變壓器的渦流損耗計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　當(dāng)有一個(gè)直流脈沖電壓加到變壓器初級(jí)線圈的兩端時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈中就就有勵(lì)磁電流通過(guò)，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通密度B，兩者由下式?jīng)Q定：

　　B =ΔB*t/τ +B（0） （2-44）

　　H =ΔH*t/ΔH +H（0） （2-45）

　　上式中ΔB和ΔH分別為磁通密度增量和磁場(chǎng)強(qiáng)度增量，τ為直流脈沖寬度，B（0）和H（0）分別為t = 0時(shí)的磁通密度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H。

　　傳統(tǒng)的變壓器鐵芯為了降低渦流損耗，一般都把變壓器鐵芯設(shè)計(jì)成由許多薄鐵片，簡(jiǎn)稱為鐵芯片，互相重迭在一起組成，并且鐵芯片之間互相絕緣。圖2-18表示變壓器鐵芯或變壓器鐵芯中的一鐵芯片。我們可以把這些鐵芯片看成是由非常多的“線圈”（如圖中虛線所示）緊密結(jié)合在一起組成;當(dāng)交變磁力線從這些“線圈”中垂直穿過(guò)時(shí)，在這些“線圈”中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，由于這些“線圈”存在電阻，因此這些“線圈”要損耗電磁能量。

　　在直流脈沖作用期間，渦流的機(jī)理與正激電壓輸出的機(jī)理是基本相同的。渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向正好相反，在鐵芯片的中心處去磁力最強(qiáng)，在邊緣去磁力為零。因此，在鐵芯片中磁通密度分布是不均勻的，即最外層磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，中心處最小。如果渦流退磁作用很強(qiáng)，則磁通密度的最大值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其平均值，該數(shù)值由已知脈沖的幅度和寬度來(lái)決定。

　　沿鐵芯片截面的磁場(chǎng)分布，可以用麥克斯韋的方程式來(lái)求得;麥克斯韋的微分方程式為：

　　上式中 μa為變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率，ρc為鐵芯的電阻率，負(fù)號(hào)表示渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。rot E和rot Hx分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的旋度，即渦旋電場(chǎng)和渦旋磁場(chǎng)的強(qiáng)度。Hx、Hy、Hz分別磁場(chǎng)強(qiáng)度H的三個(gè)分量;Bx、By、Bz分別磁感應(yīng)強(qiáng)度B的三個(gè)分量;Ex、Ey、Ez分別電場(chǎng)強(qiáng)度H的三個(gè)分量。

　　由于單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯回線面積很小，其磁化曲線基本上可以看成一根直線，導(dǎo)磁率μ也可以看成是一個(gè)常數(shù);因此，這里使用平均導(dǎo)磁率 來(lái)取代意義廣泛的導(dǎo)磁率 。

　　從圖2-18可以看出，磁場(chǎng)強(qiáng)度由H = Hz：和Hx = Hy = 0組成;對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度，其指向平行于Y軸為E = Ey，Ex = Ez = 0。因此，上面兩式又可以改寫為：

　　對(duì)（2-53）式進(jìn)行微分，然后代入（2-52）式，即可求得磁場(chǎng)強(qiáng)度的一維分布方程為：

　　由于加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓是一個(gè)直流脈沖方波，在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁通密度的增長(zhǎng)應(yīng)與時(shí)間成線性關(guān)系，即：

　　當(dāng)x = 0時(shí)，正好位于鐵芯片的中心，此處的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，即此點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值等于0，由此求得積分常數(shù)c1= 0。

　　對(duì)（2-57）再進(jìn)行一次積分得：

　　由于在變壓器鐵芯片內(nèi)，截面磁場(chǎng)強(qiáng)度的平均值Ha，在任一時(shí)間內(nèi)都必須等于電磁感應(yīng)所要求的值，即滿足（2-45）式的要求，因此對(duì)應(yīng)圖2-18對(duì)（2-58）式求平均值得：

　　把（2-60）代入（2-58）式，可求得在穩(wěn)定狀態(tài)條件下鐵芯片中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

　　圖2-19-a和圖2-19-b分別是由（2-61）式給出的，鐵芯片中磁場(chǎng)強(qiáng)度按水平方向分布的函數(shù)H（x）和按時(shí)間分布的函數(shù)H（t）曲線圖。

　　從圖2-19-a中可以看出，由于渦流產(chǎn)生反磁化作用的緣故，在鐵芯或鐵芯片中心磁場(chǎng)強(qiáng)度最低，而邊緣磁場(chǎng)強(qiáng)度最高。

　　在圖2-19-b中，隨著時(shí)間線性增長(zhǎng)部分是變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng);Hb是為了補(bǔ)償渦流產(chǎn)生的去磁場(chǎng)，而由變壓器初級(jí)線圈另外提供電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

　　從圖2-19-b可以看出，渦流損耗對(duì)變壓器鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度（平均值）的影響，與變壓器正激輸出時(shí)，次級(jí)線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯磁場(chǎng)的影響，基本是一樣的。值得注意的是，如果用同樣方法對(duì)y軸方向進(jìn)行分析，也可以得到同樣的結(jié)果。

　　從圖2-19-a可以看出，當(dāng)x =δ/2 時(shí)，鐵芯片表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為：