1.2反激式变压器的磁心损耗

大家好，我叫李思聪

是德州仪器高压小功率产品线的市场工程师

我要介绍的主题是如何优化变压器设计

来改进反激式变换器的效率和 EMI 性能

今天介绍第二部分的内容

即如何准确评估反激式变压器的磁芯损耗

由于磁芯厂家在规格书里

提供了磁芯损耗公式

是通过测量数据拟合出来的

测量的时候采用的是正弦波电压激励

所以在评估磁芯损耗时

传统的方法是假设直流偏置对磁芯损耗没有影响

而且忽略的方波跟正弦波的差异

那么这样可以直接依据这个公式

使用开关频率以及峰值磁通密度

来计算磁芯损耗

但是呢实际上加在绕组的电压

不是正弦波

而是在不同的工作条件下

占空比不同的方波

而且还存在的直流偏置

这些因素实际上对磁芯损耗影响很大

参考文献一和参考文献二

公布的研究结果也证明了这一点

首先我们来讨论不同波形形状

或者占空比对磁芯损耗的影响

在参考文献一中

弗吉尼亚理工大学的研究人员

引入了波形系数的概念来表示这个影响

他们通过测量各种磁芯材料

在不同频率不同占空比的

方波激励下的实际实际磁芯损耗

然后把这个测量的磁芯损耗与数据手册

提供的公式计算出来

磁芯损耗的比值作为这个波形系数

那么最后通过数据拟合的方式推导出这个公式

从这个公式可见

它跟这个占空比以及 γ 有关

那么 γ 是这个一个校正系数

它有跟这个磁芯的材料

频率和温度有关

这边这个表一列出了不同材料

在不同频率下的 γ 值

参考文献一

还测量了不同的铁氧体材料

在 1MHz 的激励频率下

波形系数与占空比的关系

那么测量的结果用这个曲线显示在这个图上

那么当激励信号为正弦波的时候

波形系数为一

那么从这个图中我们可以看到

当对于占空比为30%到70%的这个方波

那么这个波形系数实际上是小于一

那么这说明在这个占空比范围内的方波

它产生的这个磁芯损耗

要小于正弦波

但是对有些材料如 3F3

那么在占空比比较小的情况

如百分之或者比较大的情况

10%或者90%的情况下

那么磁芯损耗或者说它波形系数

实际上是正弦波的2.5倍

即2.2倍到2.5倍

那这个可能还更高

原因是在这种条件下

磁通密度的变化率很高

那么就会在材料上产生很高的涡流损耗

那么就导致了它这个损耗增加

当然对一些高频特性比较好的材料

如 4C65 那么在整个这个宽的这个占空比

变化范围内从10%到90%

它整个这个波形系数变化很小

所以这说明这种材料的这个高频特性非常好

关于直流偏置

很多已发表的参考文献都表明

直流偏压对磁芯损耗的影响非常大

但都没有一个比较有信服力的这个解释

那么在参考文献二中

弗吉尼亚理工大学的研究人员

提出了一个直流偏置系数的概念

来表明这个直流偏置对磁芯损耗的影响

那么他们测量了两种铁氧体

磁芯材料 3F35 跟 PC90

在不同的这个直流偏压下的磁芯损耗

然后呢用这个测量到磁芯损耗

跟数据规格书中提供的公式

也就是没有偏置下

这个磁芯损耗的比值作为这个系数

把测量的数据

通过数据拟合的方法

可以得到计算磁芯直流偏置系数的一个计算公式

对 3F35 来说，那可以用这个公式来计算

那么它这个系数是跟直流偏置的平方成正比的

对 PC90 来说

这个可以用这个公式来算

系数是跟这个直流偏置是根号的一个关系

依据这个计算公式

可以画出这个直流偏置跟这个系数的一个曲线

这不同的这个材料

它们这个曲线不一样

可见你看这个对 3F35 来说

当直流偏置达到80的时候

它这个系数可以达到了2.4

所以呢对直流偏置对磁芯的影响是非常大的

最后我们总结一下

我们对磁芯损耗所做的一些讨论

首先呢对于这个直流偏置波形的形状

以及占空比来说

对磁芯损耗具有较大的影响

所以不能忽略掉

那么在实际应用中

去评估或者计算磁芯损耗的时候

要考虑这个波形系数

以及直流偏置这个系数

考虑到占空比对磁芯损耗的影响

通常来说

对于宽范围电压输入的这个应用

反激式变压器比正激式变压器更有优势

因为反激式变压器对占空比的变化比较小

那么考虑直流偏置的话

通常来说这个 CCM 工作可以减少

电流的有效值

那么这样从而减小它的铜损

但是呢由于它在 CCM 工作的时候

这个变压器的电感具有直流偏置

所以呢就是说会带来这个磁芯损耗的增加

那么通常来说

建议尽量去选用那种

比如没有直流偏置的这种主功率电路

例如这个移相全桥

那么此外我们需要让铁氧体制造商

提供更多更好的磁芯损耗数据

来协助我们设计

那么同时呢

我们建议在进行评估这个

或者计算磁芯损耗的时候

可以自己测量一下

通过自己实际的电路测量

来得到这个数据

那么这样就更准确一点

这边列出了一些参考文献

大家如果有兴趣可以去下载进一步的学习

谢谢大家

大家好，我叫李思聪

是德州仪器高压小功率产品线的市场工程师

我要介绍的主题是如何优化变压器设计

来改进反激式变换器的效率和 EMI 性能

今天介绍第二部分的内容

即如何准确评估反激式变压器的磁芯损耗

由于磁芯厂家在规格书里

提供了磁芯损耗公式

是通过测量数据拟合出来的

测量的时候采用的是正弦波电压激励

所以在评估磁芯损耗时

传统的方法是假设直流偏置对磁芯损耗没有影响

而且忽略的方波跟正弦波的差异

那么这样可以直接依据这个公式

使用开关频率以及峰值磁通密度

来计算磁芯损耗

但是呢实际上加在绕组的电压

不是正弦波

而是在不同的工作条件下

占空比不同的方波

而且还存在的直流偏置

这些因素实际上对磁芯损耗影响很大

参考文献一和参考文献二

公布的研究结果也证明了这一点

首先我们来讨论不同波形形状

或者占空比对磁芯损耗的影响

在参考文献一中

弗吉尼亚理工大学的研究人员

引入了波形系数的概念来表示这个影响

他们通过测量各种磁芯材料

在不同频率不同占空比的

方波激励下的实际实际磁芯损耗

然后把这个测量的磁芯损耗与数据手册

提供的公式计算出来

磁芯损耗的比值作为这个波形系数

那么最后通过数据拟合的方式推导出这个公式

从这个公式可见

它跟这个占空比以及 γ 有关

那么 γ 是这个一个校正系数

它有跟这个磁芯的材料

频率和温度有关

这边这个表一列出了不同材料

在不同频率下的 γ 值

参考文献一

还测量了不同的铁氧体材料

在 1MHz 的激励频率下

波形系数与占空比的关系

那么测量的结果用这个曲线显示在这个图上

那么当激励信号为正弦波的时候

波形系数为一

那么从这个图中我们可以看到

当对于占空比为30%到70%的这个方波

那么这个波形系数实际上是小于一

那么这说明在这个占空比范围内的方波

它产生的这个磁芯损耗

要小于正弦波

但是对有些材料如 3F3

那么在占空比比较小的情况

如百分之或者比较大的情况

10%或者90%的情况下

那么磁芯损耗或者说它波形系数

实际上是正弦波的2.5倍

即2.2倍到2.5倍

那这个可能还更高

原因是在这种条件下

磁通密度的变化率很高

那么就会在材料上产生很高的涡流损耗

那么就导致了它这个损耗增加

当然对一些高频特性比较好的材料

如 4C65 那么在整个这个宽的这个占空比

变化范围内从10%到90%

它整个这个波形系数变化很小

所以这说明这种材料的这个高频特性非常好

关于直流偏置

很多已发表的参考文献都表明

直流偏压对磁芯损耗的影响非常大

但都没有一个比较有信服力的这个解释

那么在参考文献二中

弗吉尼亚理工大学的研究人员

提出了一个直流偏置系数的概念

来表明这个直流偏置对磁芯损耗的影响

那么他们测量了两种铁氧体

磁芯材料 3F35 跟 PC90

在不同的这个直流偏压下的磁芯损耗

然后呢用这个测量到磁芯损耗

跟数据规格书中提供的公式

也就是没有偏置下

这个磁芯损耗的比值作为这个系数

把测量的数据

通过数据拟合的方法

可以得到计算磁芯直流偏置系数的一个计算公式

对 3F35 来说，那可以用这个公式来计算

那么它这个系数是跟直流偏置的平方成正比的

对 PC90 来说

这个可以用这个公式来算

系数是跟这个直流偏置是根号的一个关系

依据这个计算公式

可以画出这个直流偏置跟这个系数的一个曲线

这不同的这个材料

它们这个曲线不一样

可见你看这个对 3F35 来说

当直流偏置达到80的时候

它这个系数可以达到了2.4

所以呢对直流偏置对磁芯的影响是非常大的

最后我们总结一下

我们对磁芯损耗所做的一些讨论

首先呢对于这个直流偏置波形的形状

以及占空比来说

对磁芯损耗具有较大的影响

所以不能忽略掉

那么在实际应用中

去评估或者计算磁芯损耗的时候

要考虑这个波形系数

以及直流偏置这个系数

考虑到占空比对磁芯损耗的影响

通常来说

对于宽范围电压输入的这个应用

反激式变压器比正激式变压器更有优势

因为反激式变压器对占空比的变化比较小

那么考虑直流偏置的话

通常来说这个 CCM 工作可以减少

电流的有效值

那么这样从而减小它的铜损

但是呢由于它在 CCM 工作的时候

这个变压器的电感具有直流偏置

所以呢就是说会带来这个磁芯损耗的增加

那么通常来说

建议尽量去选用那种

比如没有直流偏置的这种主功率电路

例如这个移相全桥

那么此外我们需要让铁氧体制造商

提供更多更好的磁芯损耗数据

来协助我们设计

那么同时呢

我们建议在进行评估这个

或者计算磁芯损耗的时候

可以自己测量一下

通过自己实际的电路测量

来得到这个数据

那么这样就更准确一点

这边列出了一些参考文献

大家如果有兴趣可以去下载进一步的学习

谢谢大家