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UUI磁件的优异电磁特性是变压器省铜的技术支撑

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  • 更新日期:2015-01-31 15:56
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详细介绍
本文将从变压器磁件选择面临的挑战述起,再深入对UUI新型磁件所具优异特性和UUI新型磁件是变压器省铜的有效选择等问题作分析说明。

1 变压器磁件选择面临的挑战

应该说理想$变压器的假设条件是:磁芯材料有足够大的磁导率,其值可等效地看作是无限大;励磁电流足够小,其值可等效地看作是零;磁芯的任何损耗都小到可以忽略;线圈绕组的电阻小到可以忽略;所有绕组之间的磁通都是完全耦合,没有磁通“泄漏“;绕组间的电容小到可以忽略。然而实际变压器并非如此,在磁件特性的选择上面临高频磁件功率损耗的挑战,具体如下:

1.1 励磁电流

由于磁芯材料的相对磁导率ur值是有限的,则励磁电流im将不等于零,在原边绕组中就有励磁电流存在,励磁电流的大小及它引起的损耗与原边绕组的匝数成反比。

1.2 磁芯损耗

磁芯损耗包含磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗,它与磁芯的材质及工作条件有关:磁滞损耗与磁滞回线所围成的闭合曲线面积成正比,闭合曲线面积和工作频率成正比。

由法拉第定律可知,当磁芯中磁通交变时,磁芯中亦会产生感应电动势,这个感应电动势会在磁芯材料上产生环形电流。这个环形电流称为涡流,涡流在磁芯上引起的有限功率损耗称为涡流损耗。涡流损耗和频率的平方成正比。

剩余损耗是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗,是磁滞损耗和涡流损耗以外的磁芯损耗。为了减小磁芯损耗,可用高电阻率的磁性材料(如铁氧体磁性材料)或用能减少涡流电流的磁芯结构。

1.3 漏磁通

磁通不可能完全耦合所有的线圈,即存在漏磁通的影响。漏磁通主要分为扩散磁通和旁路磁通,漏磁通—旦深入线圈将引起涡流损耗,同时影响线圈的电感量。漏磁通的大小与磁件的磁芯几何结构、线圈绕组的布置方式、线圈的饶制工艺和气隙的设置有关。

1.4 分布电容

在变压器的绕组中存在寄生电容。最值得注意的是线圈导线和变压器磁芯之间以及各绕组间的寄生电容。电容量的大小与绕组的几何形状、磁芯的介电常数、变压器的封装材料及线圈的匝数有关。原、副边电容效应是由线圈匝间的电容引起的,尽管匝和匝之间的电容通常是很小的,因电容串联之和要比并联的小,在分析变压器电路时每一个理想绕组两端应并联一个集中的电容,每两个理想绕组间应串联一个集中电容。

1.5 绕组电阻

用来绕制线圈的导线,其电阻不为零,因而每个绕组上都会产生电阻损耗。绕组的等效电阻与开关频率、绕组的布置方式、导线截面积及导线长度等有关。

1.6 趋肤效应

当导线流过交变电流时,在导线内部将产生与电流方向相反的电动势。由于导线中心较导线表面的磁链大,在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果,电流在表面流动,中心则无电流,这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动,就是“趋肤效应”。电流只在导线的表层流过,其表层的厚度称为“穿透厚度或趋肤深度Δ”,它和工作频率的平方根成反比。

由于趋肤效应使导线有效导电面积减小,电流密度有所提高,引起铜耗增加,效率下降。因此工作于高频的变压器就需考虑这—影响。频率增加,穿透厚度减小。在保持电流不变的惰况下相当于电流密度增加,铜耗显著增大,使变压器温升增高。在高频变压器中的单根导线,一般线径不超过穿透厚度的2到3倍为宜,线径过大等于浪费铜线。采用绞合线,可较有效地降低电流密度。

1.7 邻近效应

相邻导线流过高频电流时,由于磁电作用使电流偏向一边流动。当一些导线被缠绕成一层或几层线匝时,磁动势随绕组的层数线性增加,产生涡流,使电流集中在绕组交界面间流动,这种现象就是邻近效应。邻近效应随绕组层数增加而呈指数规律增加。因此,邻近效应影响远比趋肤效应响影大。弱邻近效应比减弱趋肤效应作用大。

理论和实践都说明,设计工频变压器时使用的简单方法,对设汁高频变压器不适用。在磁芯窗口允许情况下,应尽可能使用直径大的导线来绕制变压器。在高频应用中常导致错误,使用直径太大的导线,则会使层数增加,叠加和弯曲次数增多。从而加大了邻近效应和趋肤效应,就会使损耗增加。因此太大的线径和太小的线径一样低效。显然由于邻近效应和趋肤效应缘故,绕制高频电源变压器用的导线或薄铜片都有个最佳值。


详细资料见:http://www.big-bit.com/uploadfile/2015/0131/20150131035935880.pdf
 
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