在开关电源中与磁性元件有关的损耗介绍

2020-05-23      1394 次浏览

对于一般的设计工程师来说,开关电源是非常复杂的。由于磁性元件术语的特殊性,下面描述的损耗主要由核心制造商以图表的形式表示,这是非常容易使用的。这些损耗列在这里,以便评估损耗的性质。


与变压器和电感有关的损失有三种:滞后损耗、涡流损耗和电阻损耗。这些损耗可以在变压器和电感的设计和建造中加以控制。


滞回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曲线中扫描的面积。扫掠面积是由磁场力完成的功。磁场力使磁芯中的磁畴重新排列。扫掠面积越大,滞后损耗就越大。


从公式中可以看出,损耗与工作频率和工作磁通密度的二次幂成正比。虽然这种损耗没有功率开关和整流器大,但处理不当也会成为一个问题。在100kHz时,Bmax应设置为材料饱和通量密度BSAT的50%。在500kHz时,开关电源Bmax应设置为材料饱和通量密度BSAT的25%。在1MHz时,Bmax应设置为材料饱和通量密度BSAT的10%。这是由开关电源(3C8等)中铁磁材料的特性决定的。)。


涡流是一种在强磁场作用下在磁芯内部大范围内产生的循环,一般设计者对减少这种损失没有什么可做的。


电阻损耗是指由变压器或电感内部绕组的电阻引起的损耗。电阻损失有两种形式:直流电阻损失和皮肤效应电阻损失。直流电阻损耗由绕组导体电阻的乘积和电流的有效值决定。趋肤效应是由于导体中心的电流在导体内强交流电磁场的作用下被"推"到导体表面而使导体的电阻实际增大,并且由于电流在较小的截面内流动而使导体的有效直径变小。


开关电源的漏感(以与绕组相连的小电感表示)使部分磁通漏入周围的空气和材料,而不与铁芯相交。其特性不受变压器或与之相关的电感的影响,因此绕组的反射阻抗不影响漏感的性能。


漏电可能会引起问题,因为它不会将功率传递给负载,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,应控制绕组的漏感。每个泄漏值是不同的,但可以控制到一定的等级。


一些减少绕组漏电的一般经验法则是:延长绕组的长度,靠近核心,绕组之间的紧密耦合技术,以及类似的匝数比(例如接近1)。"对于直流-直流变换器中常用的E-E核心,漏感估计为绕组电感的3%≤5%。在离线变换器中,如果变压器符合严格的规定,一次绕组的漏感可高达绕组电感的12%。用于绝缘绕组的磁带使绕组变短,使绕组远离核心和其他绕组。


在直流磁铁的应用中,开关电源厂家沿磁芯的磁路一般需要一个气隙。在铁氧体磁芯中,气隙位于磁芯的中间,磁通从磁芯的一端流向另一端,尽管磁路从磁芯的中心向外扩散。气隙的存在会产生一个致密的磁通区,从而在靠近线圈或气隙附近的金属部件中产生旋流。这种损失一般不是很大,但很难确定。


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