磁性元件在開關(guān)電源中有哪些損耗

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

通常情況下，磁性元件的損耗占開關(guān)電源總損耗的15%左右，了解磁性元件的損耗的組成對(duì)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(zhuǎn)動(dòng)，其中的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)是儲(chǔ)能，將來反向磁化磁能還會(huì)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(cè)試插件可計(jì)算。這對(duì)于提高開關(guān)電源的效率具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 磁芯的磁滯回線

渦流損耗

當(dāng)變壓器工作時(shí)。磁芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)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(guān)電源幾百KHz的電力電子場(chǎng)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?yàn)殡娏髁鬟^變壓器繞組的實(shí)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(duì)復(fù)雜，包含繞組趨膚效應(yīng)，臨近效應(yīng)引起的損耗。

a）集膚效應(yīng)

集膚效應(yīng)又叫趨膚效應(yīng)，是指導(dǎo)體通過交流電流時(shí)，在導(dǎo)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(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。對(duì)于交變的電流，則會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)，導(dǎo)體本身會(huì)產(chǎn)生渦流，引起損耗。

圖4 高頻電流引起集膚效應(yīng)

b）鄰近效應(yīng)

當(dāng)兩個(gè)相鄰導(dǎo)體流過方向相反的電流時(shí)，相互之間會(huì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，則磁動(dòng)勢(shì)在對(duì)方導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生渦流，引起損耗。

圖5 鄰近效應(yīng)示意圖

值得一提的是，ZDS2024示波器電源測(cè)試插件針對(duì)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(duì)磁性元件的電感、I-∫V關(guān)系以及磁性進(jìn)行分析，對(duì)電源客戶來說，是非常有意義的。