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技術專題
變壓器的磁滯損耗及其對交流電路的影響
變壓器是實現現代生活的重要設備之一，因為它們提供了至關重要的電源轉換功能。它們將交流電壓/電流升高或降低到有用的水平，然后可以將其轉換為直流并用于為您喜歡的電子設備供電。如果您想將任何東西插入墻上并接收電網電源，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。
不幸的是，磁滯會帶來變壓器的磁滯損耗。當輸入電流來回振蕩時，每個變壓器都會出現一些磁滯損耗，這些損耗表現為較小的失真和輸出功率效率的降低。當您需要直接在PCB上進行電源轉換，或者只需要選擇用于電源轉換的變壓器時，請注意變壓器中的磁滯損耗。
是什么導致變壓器的磁滯損耗？
每個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強度下都會具有一定的磁飽和。發生這種情況時，您在磁性材料中感應出的磁化強度達到了最大值。一旦發生飽和，就不能使這種材料具有更大的磁性。結果，即使輸入電流和磁通量繼續增加，變壓器鐵芯中的感應磁化強度也停止增加。
一旦輸入磁通量切換方向，就需要一定量的磁通量來使變壓器鐵芯中的磁化強度切換方向。這就是磁滯的本質。盡管磁場已切換方向，但直到磁場超過某個閾值（稱為矯頑力），鐵心中的磁化強度（在B場中顯示）才不會完全減小到零。下圖顯示了由于線圈中的電流產生的H場，磁芯B場上的磁滯效應。
磁滯窗口。
H場不在芯材中的磁疇上起作用，但是將磁場視為經歷非保守力（在許多圈子中稱為磁摩擦）仍然很方便。摩擦比喻更容易，因為功率損耗將自身表現為熱量。實際上，磁場實際上確實偏移了芯材中的磁疇。這會導致在非常高的磁場下工作的大型變壓器產生熟悉的嗡嗡聲和振動。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應予以考慮。
您可以減少磁滯損耗嗎？
簡單的答案是，通過添加一些組件或調整幾何形狀無法輕易減少磁滯損耗。對于給定的鐵心材料，變壓器鐵芯中的磁滯損耗與磁滯窗中封閉的面積成比例。由于這個原因，使用高度易磁化的材料，因為它們傾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標稱損耗的表格。
除磁滯損耗外，每臺變壓器還遭受以下損耗源：
泄漏損失。并非所有的變壓器設計都是完美的，某些磁場會從變壓器的鐵心泄漏出去。這樣可以減小在次級繞組上看到的磁場，因此輸入電流將略有減小。
導體損耗。用于繞芯線形成繞組的導體（通常是銅）具有一定的電導率，因此繞組中會有一些IR降。
渦流損耗。隨著輸入磁通量的連續時間切換，在鐵芯中會感應出渦流，從而產生歐姆損耗。此處的解決方案是使用橫截面積較小且導電率較高的磁芯。
并非所有的SPICE變壓器模型都包括所有損耗源。最基礎的SPICE模型是純線性，不包括任何的損失。要在標準SPICE仿真中使用實際變壓器，您需要使用建模工具來解決功率轉換系統中的磁滯或其他損耗。自從SPICE模擬器問世以來，就一直在研究電子設計領域。以了解更多有關為帶滯回的變壓器開發SPICE模型的信息。
高電流系統中的示例三相電壓波形。注意由于磁滯引起的變形。
功率轉換的其他重要部分
電力系統和電氣設備必須遵守IEEE 519-2014，NEMA IS07 P1-2019和IEC等標準，所有這些標準都定義了電力電子設備中總諧波失真（THD）的可接受上限。這些標準以各種方式影響與變壓器磁滯相關的系統的其他方面。
除了明智地選擇變壓器之外，您還需要仔細選擇以下組件和電路拓撲，以進行功率轉換，調節和濾波。下表列出了交流輸入/轉換部分需要包括的重要組件和電路的簡短列表：
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元件/電路 |
在電源轉換中的作用 |
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電磁干擾濾波器 |
使用帶有共模繞組的磁芯來消除設備輸入部分的共模傳導EMI。請注意，這些濾波器基本上是變壓器，也可能會遇到磁滯損耗。 |
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PFC電路 |
當開關穩壓器汲取功率并且變壓器中的磁滯損耗引起失真時，可以平滑電流波形。 |
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穩壓器拓撲（LDO或開關） |
提供高效率的穩定直流輸出功率。一些穩壓器拓撲結構（例如正激和反激轉換器）使用二極管和三繞組變壓器來克服磁滯損耗，同時產生穩定的DC輸出。 |
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整流二極管 |
從技術上講，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。 |