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技術(shù)專題
變壓器的磁滯損耗及其對(duì)交流電路的影響
變壓器是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生活的重要設(shè)備之一，因?yàn)樗鼈兲峁┝酥陵P(guān)重要的電源轉(zhuǎn)換功能。它們將交流電壓/電流升高或降低到有用的水平，然后可以將其轉(zhuǎn)換為直流并用于為您喜歡的電子設(shè)備供電。如果您想將任何東西插入墻上并接收電網(wǎng)電源，則需要滿足一些重要要求，其中之一與變壓器中的磁滯有關(guān)。
不幸的是，磁滯會(huì)帶來(lái)變壓器的磁滯損耗。當(dāng)輸入電流來(lái)回振蕩時(shí)，每個(gè)變壓器都會(huì)出現(xiàn)一些磁滯損耗，這些損耗表現(xiàn)為較小的失真和輸出功率效率的降低。當(dāng)您需要直接在PCB上進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，或者只需要選擇用于電源轉(zhuǎn)換的變壓器時(shí)，請(qǐng)注意變壓器中的磁滯損耗。
是什么導(dǎo)致變壓器的磁滯損耗？
每個(gè)變壓器都包含鐵磁材料作為其核心，所有磁性材料在高磁場(chǎng)強(qiáng)度下都會(huì)具有一定的磁飽和。發(fā)生這種情況時(shí)，您在磁性材料中感應(yīng)出的磁化強(qiáng)度達(dá)到了最大值。一旦發(fā)生飽和，就不能使這種材料具有更大的磁性。結(jié)果，即使輸入電流和磁通量繼續(xù)增加，變壓器鐵芯中的感應(yīng)磁化強(qiáng)度也停止增加。
一旦輸入磁通量切換方向，就需要一定量的磁通量來(lái)使變壓器鐵芯中的磁化強(qiáng)度切換方向。這就是磁滯的本質(zhì)。盡管磁場(chǎng)已切換方向，但直到磁場(chǎng)超過(guò)某個(gè)閾值（稱為矯頑力），鐵心中的磁化強(qiáng)度（在B場(chǎng)中顯示）才不會(huì)完全減小到零。下圖顯示了由于線圈中的電流產(chǎn)生的H場(chǎng)，磁芯B場(chǎng)上的磁滯效應(yīng)。
磁滯窗口。
H場(chǎng)不在芯材中的磁疇上起作用，但是將磁場(chǎng)視為經(jīng)歷非保守力（在許多圈子中稱為磁摩擦）仍然很方便。摩擦比喻更容易，因?yàn)楣β蕮p耗將自身表現(xiàn)為熱量。實(shí)際上，磁場(chǎng)實(shí)際上確實(shí)偏移了芯材中的磁疇。這會(huì)導(dǎo)致在非常高的磁場(chǎng)下工作的大型變壓器產(chǎn)生熟悉的嗡嗡聲和振動(dòng)。由于存在色散，磁滯損耗隨頻率而變化，因此在選擇變壓器時(shí)應(yīng)予以考慮。
您可以減少磁滯損耗嗎？
簡(jiǎn)單的答案是，通過(guò)添加一些組件或調(diào)整幾何形狀無(wú)法輕易減少磁滯損耗。對(duì)于給定的鐵心材料，變壓器鐵芯中的磁滯損耗與磁滯窗中封閉的面積成比例。由于這個(gè)原因，使用高度易磁化的材料，因?yàn)樗鼈儍A向于具有狹窄的磁滯窗。常用變壓器鐵芯材料的材料性能和100 kHz標(biāo)稱損耗的表格。
除磁滯損耗外，每臺(tái)變壓器還遭受以下?lián)p耗源：
泄漏損失。并非所有的變壓器設(shè)計(jì)都是完美的，某些磁場(chǎng)會(huì)從變壓器的鐵心泄漏出去。這樣可以減小在次級(jí)繞組上看到的磁場(chǎng)，因此輸入電流將略有減小。
導(dǎo)體損耗。用于繞芯線形成繞組的導(dǎo)體（通常是銅）具有一定的電導(dǎo)率，因此繞組中會(huì)有一些IR降。
渦流損耗。隨著輸入磁通量的連續(xù)時(shí)間切換，在鐵芯中會(huì)感應(yīng)出渦流，從而產(chǎn)生歐姆損耗。此處的解決方案是使用橫截面積較小且導(dǎo)電率較高的磁芯。
并非所有的SPICE變壓器模型都包括所有損耗源。最基礎(chǔ)的SPICE模型是純線性，不包括任何的損失。要在標(biāo)準(zhǔn)SPICE仿真中使用實(shí)際變壓器，您需要使用建模工具來(lái)解決功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的磁滯或其他損耗。自從SPICE模擬器問(wèn)世以來(lái)，就一直在研究電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域。以了解更多有關(guān)為帶滯回的變壓器開(kāi)發(fā)SPICE模型的信息。
高電流系統(tǒng)中的示例三相電壓波形。注意由于磁滯引起的變形。
功率轉(zhuǎn)換的其他重要部分
電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備必須遵守IEEE 519-2014，NEMA IS07 P1-2019和IEC等標(biāo)準(zhǔn)，所有這些標(biāo)準(zhǔn)都定義了電力電子設(shè)備中總諧波失真（THD）的可接受上限。這些標(biāo)準(zhǔn)以各種方式影響與變壓器磁滯相關(guān)的系統(tǒng)的其他方面。
除了明智地選擇變壓器之外，您還需要仔細(xì)選擇以下組件和電路拓?fù)?，以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)和濾波。下表列出了交流輸入/轉(zhuǎn)換部分需要包括的重要組件和電路的簡(jiǎn)短列表：
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元件/電路 |
在電源轉(zhuǎn)換中的作用 |
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電磁干擾濾波器 |
使用帶有共模繞組的磁芯來(lái)消除設(shè)備輸入部分的共模傳導(dǎo)EMI。請(qǐng)注意，這些濾波器基本上是變壓器，也可能會(huì)遇到磁滯損耗。 |
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PFC電路 |
當(dāng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器汲取功率并且變壓器中的磁滯損耗引起失真時(shí)，可以平滑電流波形。 |
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穩(wěn)壓器拓?fù)洌?span>LDO或開(kāi)關(guān)） |
提供高效率的穩(wěn)定直流輸出功率。一些穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如正激和反激轉(zhuǎn)換器）使用二極管和三繞組變壓器來(lái)克服磁滯損耗，同時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的DC輸出。 |
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整流二極管 |
從技術(shù)上講，任何二極管都可用于整流器，只要其正向電壓足夠低即可。許多橋式整流器IC均額定用于特定的交流線路電壓。 |