变压器中的迟滞损耗及其对交流电路的影响

2022年3月17日

关键的外卖

变压器的磁滞损失是由于变压器铁心的磁化饱和而产生的。
当磁芯中的磁性材料被放置在强磁场中，比如交流电产生的磁场中，最终会变得磁饱和。
为了防止失真，应选择用于电力电子设备的变压器，使其在输入磁通值处不会强烈饱和。

该变压器的磁芯在大输入电流和大磁场时会产生磁滞损耗。

变压器是使现代生活成为可能的重要设备之一，因为它们提供了关键的功率转换功能。它们将交流电压/电流提升或降低到有用的水平，然后可以转换为直流，用于为您最喜欢的电子产品供电。如果你想把任何东西插到墙上并接收电网电力，你需要满足一些重要的要求，其中之一与变压器的滞后有关。

不幸的是，磁滞会带来变压器的磁滞损耗。当输入电流来回振荡时，每个变压器都有一些迟滞损耗，这些损耗表现为输出功率的轻微失真和效率降低。当您需要将电源转换直接放在PCB上，或者您只需要选择一个变压器进行电源转换时，请注意变压器中的滞后损耗。

变压器的滞回损耗是由什么引起的?

每个变压器都含有铁磁材料作为其核心，所有磁性材料都会在高磁场强度下出现一定的磁饱和。当这种情况发生时，你在磁性材料中诱导的磁化水平已经达到最大值;一旦饱和，你就不能使这种材料有更大的磁性。因此，即使输入电流和磁通量继续增加，变压器磁芯中的感应磁化强度也停止增加。

一旦输入磁通切换方向，就需要一定的磁通使变压器铁芯中的磁化方向切换。这就是滞后的本质;尽管磁场改变了方向，但磁芯中的磁化强度(表现为b场)直到磁场超过一定的阈值(称为矫顽力)才完全降为零。由于线圈中电流产生的h场，磁滞对磁芯中b场的影响如下图所示。

磁滞窗。

h场不对核心材料中的磁畴做功，但仍然可以方便地认为磁场受到非保守力，在许多圈子中称为磁摩擦。与摩擦的类比是恰当的，因为能量损失在核心中表现为热量。实际上，磁场确实改变了核心材料的磁畴。这就导致了在高磁场下工作的大型变压器中常见的嗡嗡声和振动。由于色散，滞回损耗随频率的变化而不同，在选择变压器时应考虑到这一点。

你能减少磁滞损失吗?

简单的答案是，不能通过添加一些组件或调整几何形状轻易地减少迟滞损耗。对于给定的铁芯材料，变压器铁芯中的迟滞损耗与迟滞窗口所包围的面积成正比。由于这个原因，高磁敏感材料被使用，因为他们往往有狭窄的滞回窗口。阅读这篇文章来找一张桌子具有普通变压器铁心材料的材料特性和100 kHz的标称损耗。

除了迟滞损耗外，每个变压器还会遇到以下损耗来源:

泄漏损失。并不是所有的变压器设计都是完美的，有些磁场会从变压器的铁心泄漏出去。这减少了在二次绕组处看到的磁场，因此输入电流将略有减少。
导体损失。用于在铁心周围形成绕组的导体(通常是铜)具有有限的导电性，因此在绕组中会有一些IR下降。
涡流损耗。由于输入磁通量在时间上连续切换，磁芯中产生涡流，从而产生欧姆损失。这里的解决方案是使用具有更小截面积和更高导电性的芯。

并非所有的SPICE变压器模型都包括所有的损耗来源。最基本SPICE模型是纯线性的而且不包括任何损失。与…一起工作真实的变压器在标准SPICE模拟，您需要使用建模实用程序来解释电源转换系统中的迟滞或其他损失。自从SPICE模拟器存在以来，这个电子设计领域就一直在研究。看看IEEE最近的一篇文章了解更多关于开发带滞环变压器SPICE模型的知识。

SPICE模拟滞后损耗

示例:大电流系统中的三相电压波形。注意由于迟滞造成的失真。

电源转换的其他重要部分

电力系统和电气设备必须遵守IEEE 519-2014、NEMA IS07 P1-2019和IEC标准等标准，所有这些标准都定义了电力电子设备中总谐波失真(THD)的可接受上限。这些标准以各种方式影响系统中与变压器滞后有关的其他方面。

除了明智地选择变压器外，您还需要仔细选择以下用于功率转换、调节和滤波的组件和电路拓扑。下表列出了AC输入/转换部分需要包含的重要组件和电路的简短列表:

组件/电路	电源转换中的角色
电磁干扰滤波器	使用带共模线圈的磁芯消除器件输入部分的共模传导电磁干扰。请注意，这些滤波器基本上是变压器，也可以经历滞后损失。
PFC电路	当开关稳压器抽取功率时，当变压器中的滞回损耗引起失真时，平滑电流波形。
调节器拓扑(LDO或开关)	提供稳定的直流输出功率，效率高。一些调节器拓扑，例如正向和反激变换器，使用二极管和3绕组变压器克服滞回损失，同时产生稳定的直流输出。
整流二极管	从技术上讲，任何二极管只要正向电压足够低，都可以用于整流器。许多桥式整流集成电路的额定交流线路电压。