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

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器是加入了開(kāi)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(kāi)關(guān)電源等涉及高頻電路的場(chǎng)合。開(kāi)關(guān)電源變壓器和開(kāi)關(guān)管一起構成一個(gè)自激（或他激）式的間歇震蕩器，從而把輸入直流電壓調制成一個(gè)高頻脈沖電壓。

　　起到能量傳遞和轉換作用。在反激式電路中， 當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，變壓器把電能轉換成磁場(chǎng)能儲存起來(lái)，當開(kāi)關(guān)管截止時(shí)則釋放出來(lái)。 在正激式電路中，當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，輸入電壓直接向負載供給并把能量?jì)Υ嬖趦δ茈姼兄?。當開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，再由儲能電感進(jìn)行續 流向負載傳遞。把輸入的直流電壓轉換成所需的各種低壓。

　　如何減少開(kāi)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，但會(huì )增加磁心的磁通密度而增加鐵損，當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(xiàn)直徑（不能減少總截面積），增加初次級相鄰面（會(huì )增加初次級分布電容），減小初次級距離（會(huì )增加初次級分布電容），線(xiàn)圈疏饒等;

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

　　5、使用更低電阻率的導線(xiàn)。

　　減少鐵損

　　1、改用功耗參數更優(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(xiàn)圈匝數而導致銅損增大，慎用;

　　3、改變電路參數，比如降低開(kāi)關(guān)頻率，但會(huì )同時(shí)增加磁通密度，慎用，必要時(shí)配合繞組匝數調整;

　　4、合理熱設計，利用磁心材料溫度與損耗曲線(xiàn)中的谷值。

　　綜合方法

　　1、根據各自散熱條件，合理分配銅損鐵損比例;

　　2、合理設計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(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗分析：

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗在開(kāi)關(guān)電源的總損耗中所占的比例很大，如何降低開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗，是開(kāi)關(guān)電源變壓器或開(kāi)關(guān)電源設計的一個(gè)重要內容。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磁材料以外，同時(shí)它也屬于一種導電體;當交變磁力線(xiàn)從導電體中穿過(guò)時(shí)，導電體中就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，在感應電動(dòng)勢的作用下，在導電體中就會(huì )產(chǎn)生回路電流使導體發(fā)熱;這種由于交變磁力線(xiàn)穿過(guò)導體，并在導體中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢和回路電流的現象，人們把它稱(chēng)為渦流，因為它產(chǎn)生的回路電流沒(méi)有作為能量向外輸出，而是損耗在自身的導體之中。

　　單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗計算與雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗計算，在方法上是有區別的。但用于計算單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器渦流損耗的方法，只需稍微變換，就可以用于對雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗進(jìn)行計算。例如，把雙激式開(kāi)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)現對于雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器渦流損耗的計算。因此，下面僅對單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗計算進(jìn)行詳細分析。

　　當有一個(gè)直流脈沖電壓加到變壓器初級線(xiàn)圈的兩端時(shí)，在變壓器初級線(xiàn)圈中就就有勵磁電流通過(guò)，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)強度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)強度H。

　　傳統的變壓器鐵芯為了降低渦流損耗，一般都把變壓器鐵芯設計成由許多薄鐵片，簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)圈”（如圖中虛線(xiàn)所示）緊密結合在一起組成;當交變磁力線(xiàn)從這些“線(xiàn)圈”中垂直穿過(guò)時(shí)，在這些“線(xiàn)圈”中就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢和感應電流，由于這些“線(xiàn)圈”存在電阻，因此這些“線(xiàn)圈”要損耗電磁能量。

　　在直流脈沖作用期間，渦流的機理與正激電壓輸出的機理是基本相同的。渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與勵磁電流產(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，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)強度最大，中心處最小。如果渦流退磁作用很強，則磁通密度的最大值可能遠遠超過(guò)其平均值，該數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磁率，ρc為鐵芯的電阻率，負號表示渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與勵磁電流產(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)的強度。Hx、Hy、Hz分別磁場(chǎng)強度H的三個(gè)分量;Bx、By、Bz分別磁感應強度B的三個(gè)分量;Ex、Ey、Ez分別電場(chǎng)強度H的三個(gè)分量。

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

　　從圖2-18可以看出，磁場(chǎng)強度由H = Hz：和Hx = Hy = 0組成;對于電場(chǎng)強度，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(xiě)為：

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

　　由于加到變壓器初級線(xiàn)圈兩端的電壓是一個(gè)直流脈沖方波，在穩定狀態(tài)條件下，勵磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度或磁通密度的增長(cháng)應與時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系，即：

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

　　對（2-57）再進(jìn)行一次積分得：

　　由于在變壓器鐵芯片內，截面磁場(chǎng)強度的平均值Ha，在任一時(shí)間內都必須等于電磁感應所要求的值，即滿(mǎn)足（2-45）式的要求，因此對應圖2-18對（2-58）式求平均值得：

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

　　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)強度按水平方向分布的函數H（x）和按時(shí)間分布的函數H（t）曲線(xiàn)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)強度最低，而邊緣磁場(chǎng)強度最高。

　　在圖2-19-b中，隨著(zhù)時(shí)間線(xiàn)性增長(cháng)部分是變壓器初級線(xiàn)圈勵磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng);Hb是為了補償渦流產(chǎn)生的去磁場(chǎng)，而由變壓器初級線(xiàn)圈另外提供電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

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

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