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磁性元件,在開關電源中都有哪些損耗?

開關電源磁性元件一般就是指變壓器和電感,變壓器在開關電源中應用非常廣泛。變壓器的作用大致是提供初級和次級的電氣隔離,使輸出電壓或升或降,傳送能量。電感在開關電源中起著儲能和濾波作用。在典型的降壓轉換中,電感的一端是連接到DC輸出電壓,另一端通過開關頻率切換連接到輸入電壓或者GND,在開關判斷期間對負載提供持續(xù)的能量。

通常情況下,磁性元件的損耗占開關電源總損耗的15%左右,了解磁性元件的損耗的組成對提高電源效率具有重要意義。磁性元件上發(fā)生的損耗包括鐵損和銅損。

鐵損

變壓器鐵損包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。

磁滯損耗

磁疇在電磁磁化作用下發(fā)生的轉動,其中的彈性轉動是儲能,將來反向磁化磁能還會釋放,但是另一部分剛性摩擦造成的形變就以熱的形式散發(fā)出去,也就是磁滯損耗,它與磁滯回線的面積成正比. 磁滯損耗可以利用ZDS2024電源測試插件可計算。這對于提高開關電源的效率具有重要的指導意義。

圖1 磁芯的磁滯回線
渦流損耗

當變壓器工作時。磁芯中有磁力線穿過,在與磁力線垂直的平面上就會產(chǎn)生感應電流,由于電流自成閉合回路形成環(huán)流,且成旋渦狀,故稱為渦流。渦流的存在使磁芯發(fā)熱,消耗能量,這種損耗稱為渦流損耗。

圖2 磁芯中的渦流
圖3 疊片變化磁通產(chǎn)生的渦流
剩余損耗

主要是在高頻1MHz以上一些馳豫損耗和旋磁共振等,在開關電源幾百KHz的電力電子場合剩余損耗比例非常低,可以近似忽略。

銅損
變壓器繞組的損耗

包含直流損耗和交流損耗

1. 直流損耗

直流損耗主要是因為電流流過變壓器繞組的實阻抗而引起的損耗,正比于電流有效值大小的平方. P=I2*R

2. 交流損耗

相對復雜,包含繞組趨膚效應,臨近效應引起的損耗。

a)集膚效應
集膚效應又叫趨膚效應,是指導體通過交流電流時,在導體截面中,存在邊緣部分電流密度大,中心部分電流密小的現(xiàn)象。電流流過導體時,會產(chǎn)生磁場。對于交變的電流,則會產(chǎn)生交變的磁場。根據(jù)法拉第電磁感應,導體本身會產(chǎn)生渦流,引起損耗。

圖4 高頻電流引起集膚效應

b)鄰近效應
當兩個相鄰導體流過方向相反的電流時,相互之間會產(chǎn)生磁動勢,則磁動勢在對方導體中會產(chǎn)生渦流,引起損耗。

圖5 鄰近效應示意圖
圖6 ZDS2024 Plus示波器

值得一提的是,ZDS2024示波器電源測試插件針對電源的磁性元件提供的專業(yè)的分析,除了其磁損耗之外,還能對磁性元件的電感、I-∫V關系以及磁性進行分析,對電源客戶來說,是非常有意義的。