開關(guān)電源原理與設(shè)計(連載61)

2-1-1-10．開關(guān)電源變壓器渦流損耗分析

開關(guān)電源變壓器的渦流損耗在開關(guān)電源的總損耗中所占的比例很大，如何降低開關(guān)電源變壓器的渦流損耗，是開關(guān)電源變壓器或開關(guān)電源設(shè)計的一個重要內(nèi)容。變壓器生產(chǎn)渦流損耗的原理是比較簡單的，由于變壓器鐵芯除了是一種很好的導(dǎo)磁材料以外，同時它也屬于一種導(dǎo)電體；當(dāng)交變磁力線從導(dǎo)電體中穿過時，導(dǎo)電體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在感應(yīng)電動勢的作用下，在導(dǎo)電體中就會產(chǎn)生回路電流使導(dǎo)體發(fā)熱；這種由于交變磁力線穿過導(dǎo)體，并在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和回路電流的現(xiàn)象，人們把它稱為渦流，因為它產(chǎn)生的回路電流沒有作為能量向外輸出，而是損耗在自身的導(dǎo)體之中。

單激式開關(guān)電源變壓器的渦流損耗計算與雙激式開關(guān)電源變壓器的渦流損耗計算，在方法上是有區(qū)別的。但用于計算單激式開關(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關(guān)電源變壓器的渦流損耗進行計算。例如，把雙激式開關(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，這樣就可以實現(xiàn)對于雙激式開關(guān)電源變壓器渦流損耗的計算。因此，下面僅對單激式開關(guān)電源變壓器的渦流損耗計算進行詳細分析。

當(dāng)有一個直流脈沖電壓加到變壓器初級線圈的兩端時，在變壓器初級線圈中就就有勵磁電流通過，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場強度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強度增量，τ為直流脈沖寬度，B(0)和H(0)分別為t = 0時的磁通密度B和磁場強度H。

傳統(tǒng)的變壓器鐵芯為了降低渦流損耗，一般都把變壓器鐵芯設(shè)計成由許多薄鐵片，簡稱為鐵芯片，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“線圈”（如圖中虛線所示）緊密結(jié)合在一起組成；當(dāng)交變磁力線從這些“線圈”中垂直穿過時，在這些“線圈”中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，由于這些“線圈”存在電阻，因此這些“線圈”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)生磁場的方向與勵磁電流產(chǎn)生磁場的方向正好相反，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其平均值，該數(shù)值由已知脈沖的幅度和寬度來決定。

沿鐵芯片截面的磁場分布，可以用麥克斯韋的方程式來求得；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(dǎo)磁率，ρc為鐵芯的電阻率，負號表示渦流產(chǎn)生的磁場方向與勵磁電流產(chǎn)生的磁場方向相反。rot E和rot Hx分別表示電場和磁場的旋度，即渦旋電場和渦旋磁場的強度。Hx、Hy、Hz分別磁場強度H的三個分量；Bx、By、Bz分別磁感應(yīng)強度B的三個分量；Ex、Ey、Ez分別電場強度H的三個分量。