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磁性元件的主要作用和它的主要损耗

阅读  ·  发布日期 2020-01-23 11:23

开关电源磁性元件一般指变压器和电感。与变压器和电感相关的损耗关键有三种:磁滞损耗、涡流损耗和电阻损耗。...

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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运用十分普遍 ,变压器的主要作用是提供初级和次级线圈的电气设备防护,使输出工作电压或升或降,传输动能。电感在开关电源中起着储能和滤波效果 。在典型的降压变换中,电感的一端是连接到DC输出工作电压,另一端根经过电源开关频率转换连接到输入工作电压或是GND,在电源开关 分辨期内对负荷提供不断的动能。

一般来说,磁性元器件的损耗占开关电总损耗的15 %上下,掌握磁性元器件的损耗的构成对提升开关电源高效率具备关实际意义。

与变压器和电感相关的损耗关键有三种:磁滞损耗、涡流损耗和电阻损耗。在设计方案和结构变压器和电感时能够操纵这些损耗。

磁滞损耗

磁滞损耗与绕组的线圈匝数和驱动方法相关。它决策了每一工作中周期时间在B-H曲线内扫过的总面积。扫完的总面积就是磁场力所做的功,磁场力使磁心内的磁畴重新排序,扫完的总面积越大,磁滞损耗就会越 大。该损耗由式(6)得出。

磁性元件

如公式计算中所闻,损耗是与输出功率和最大工作磁通量相对密度的二次方成正比。尽管这一损耗比不上输出功率电源开关和整流器内部的损耗大,可是疏忽大意也会变成一个难题。在100 kHz时,Bmax应设置为原材料饱和状态磁通量相对密度Bsat的50 %。在500 kHz时,Bmax应设置为原材料饱和状态磁通量相对密度Bsat的25 %。在1MHz 时,Bmax应设置为原材料饱和状态磁通量相对密度Bsat的10 %。它是根据铁磁原材料在开关电源(3C8等)中主要表现出来的特点决策的。

涡流损耗

当变压器工作时。磁芯中有磁力线越过,在与磁力线垂直的平图上就会造成感应电流,因为电流自称合闭控制回路产生环流,且成旋涡状,所以称之为涡流。涡流的存有使磁芯发烫,耗费动能,这类损耗称之为涡流损耗。

涡流损耗比磁滞损耗小得多,但伴随着输出功率的提升而快速提升,如式(7)图示 。

涡流是在强磁场中磁心内部大范围之内磁感应的环流。一般设计师沒有过多方法来降低这一损耗。

电阻损耗

电阻损耗是变压器或电感内部绕组的电阻造成的损耗。有两种方式的电阻损耗:直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗。直流电阻损耗由绕组输电线的电阻与穿过的电流有效值二次方的相乘所决策。集肤效应是因为在输电线内强交流磁场功效下,输电线中心的电流被“推向”输电线表层进而输电线的电阻具体提升引发,电流在更小的截面中流动使输电线的合理直径看起来变小。式(8)得出了这两个损耗在一个关系式中的计算式。

磁性元件

漏感(用串联于绕组的小电感表达)使一部分磁通量不与磁心交链而渗到周边的气体和原材料中。它的特点并不是受与之有关的变压器或电感的影响,因而绕组的反射特性阻抗并不是影响漏感的性能 。

漏感会产生一个难题,由于它沒有将输出功率传送到负荷,只是在周边的元器件中造成振荡动能。在变压器和电感的总体设计中,要操纵绕组的漏感尺寸。每一个的漏感值都是不一样,但能操纵到某一额定值。

一些降低绕组漏感的通用性工作经验规律是:加长绕组的长度、离磁心间距更近、绕组之间的紧耦合技术,及其相仿的匝比(如贴近1:1)。对一般用以DC-DC 变换器的E-E型磁心,预估的漏感值是绕组电感的3%~5%。在离线式变换器中,一次绕组的漏感将会达到绕组电感的12 %,假如变压器要考虑严苛的安全规范的话 。用于绝缘绕组的胶布会使绕组更短,并使绕组远离磁心和别的绕组。

后边能够看见,漏感造成的额外损耗能够被运用。

在直流磁铁的运用场所,沿磁心的磁路一般必须有一个气隙。在铁氧体磁心里,气隙是在磁心的中部,磁通量从磁心的一端流入另一端,虽然磁力线是从磁心的中心向外散开了。气隙的存有造成了一块聚集的磁通量地区,这会造成邻近电磁线圈或挨近气隙的金属材料构件内的涡流流动。这一损耗一般并不是挺大,但很难明确 。

直流损耗根本原因是电流穿过变压器绕组的实阻抗而造成的损耗,正比于电流量有效值大小的平方米。P=I²xR

而交流损耗则相对性繁杂,包括绕组趋肤效应,邻近效应造成的损耗。

集肤效应