開關電源原理與設計(連載58)

例如，已知磁滯回線面積S的值向面積S1方面靠攏，即最大磁通密度Bm以及磁通密度增量ΔB均取得比較大；那么我們可以用（2-28）式先對磁滯回線面積S的值估算一次，結(jié)果記為S3 ；顯然，S3的值小于磁滯回線面積S1的值，即磁滯回線面積S的值必然會落在S3與S1的值之間；因此，我們可以取S3與S1的中間值來作為磁滯回線面積S的值。即：

S=(S0+S3)/2=(3S0+S1)/4 ；S3=(S0+S1)/2 —— S S3 （2-30）

或

S=(S1+S3)/2=(3S1+S0)/4 ；S3=(S0+S1)/2 —— S > S3 （2-31）

（2-30）式主要用于磁滯回線面積S的值小于第一次估算結(jié)果的情況；（2-31）式主要用于磁滯回線面積S的值大于第一次估算結(jié)果的情況。顯然用（2-30）和（2-31）估算出來的結(jié)果要比用（2-28）估算出來的結(jié)果更精確。

從圖2-13可以看出，利用（2-28）或（2-30）和（2-31）式來計算變壓器鐵芯的磁滯損耗，是完全可以滿足工程計算要求的。不過在實際應用中，我們還需要對磁滯回線以及變壓器鐵芯很多參數(shù)進行測試后，才能確定比例系數(shù)k，并且對應不同的磁通密度增量，比例系數(shù)k的值也不一樣；關于著一點，請參考下一節(jié)《開關電源變壓器鐵芯磁滯回線測量》的內(nèi)容。因此，上面分析結(jié)果只供對變壓器進行設計時參考。

通過上面分析可知，變壓器鐵芯的磁滯損耗，實際上就是流過變壓器初級線圈的勵磁電流在鐵芯中產(chǎn)生的磁場對鐵芯進行充磁和消磁時所產(chǎn)生的能耗；但并不是所有流過變壓器初級線圈的電流都是屬于勵磁電流，或所有的勵磁電流都會轉(zhuǎn)化為磁滯損耗；因為，磁感應強度（或輸入電壓）與磁場強度（或勵磁電流）之間存在一個相位角（參看圖2-7），另外，還有一部分勵磁電流的能量要轉(zhuǎn)化為反電動勢輸出；例如，反激式輸出就是這樣。

磁滯損耗和后面介紹的渦流損耗是變壓器鐵芯的主要損耗，這兩種損耗是可以通過實驗的方法來進行測量的，但要把兩種損耗嚴格分開，在技術上還是有點難度。

順便指出，上面主要是針對雙激式開關變壓器鐵芯的磁滯損耗進行原理分析，對于單激式開關變壓器，由于其磁化曲線只限于磁通密度和磁場強度均為正的一側(cè)，磁通密度變化的范圍基本上都在Br和Bm之間，相對來說比較??；并且當輸入直流脈沖電壓的幅度和寬度不變時，Br和Bm的相對位置是基本不變的，其磁化曲線與等效磁化曲線（勵磁電流的負載曲線）基本重合，因此，磁滯回線的面積接近等于0，變壓器鐵芯的磁滯損耗也接近等于0，如圖2-14所示。

只有當輸入直流脈沖電壓的幅度和寬度不斷地改變時，Br和Bm的相對位置才會跟隨輸入電壓不斷地變化，此時，其磁化曲線與等效磁化曲線（勵磁電流的負載曲線）不再重合，磁化曲線會不停地上下跳動，磁滯回線的面積也在不停地改變，因此，變壓器鐵芯的磁滯損耗不能認為等于0。

在圖2-14中，虛線B或0-B-B為變壓器鐵芯的初始磁化曲線；當輸入直流脈沖的幅度比較低，或脈沖寬度比較窄時，磁通密度由Br1沿著磁化曲線a-b上升，到達Bm1后脈沖結(jié)束，然后磁通密度由Bm1沿著磁化曲線b-a下降回到Br1，虛線1是其等效磁化曲線。

當輸入直流脈沖的幅度比較高，或脈沖寬度比較寬時，磁通密度由Br2沿著磁化曲線c-d上升，到達Bm2后脈沖結(jié)束，然后磁通密度由Bm2沿著磁化曲線d-c下降回到Br2，虛線2是另一條等效磁化曲線。
因此，當輸入直流脈沖電壓的幅度和寬度不斷地改變時，變壓器鐵芯的磁通密度就會在1和2兩條等效磁化曲線之間對應的磁化曲線上來回變化。

顯然，磁通密度從等效磁化曲線1跳到等效磁化曲線2是需要能量的。如圖2-14中，假設磁通密度由Br1上升到Bm2，但磁通密度下降時不會返回到Br1，而只能返回到Br2。因此，磁通密度上升與下降的幅度不一樣，產(chǎn)生的這個差值就是磁滯損耗。不過，單激式開關變壓器鐵芯的磁滯損耗相對于雙激式開關變壓器鐵芯磁滯損耗來說，還是很小的，甚至可以忽略。

單激式開關變壓器鐵芯的磁滯損耗小的原因，是因為流過變壓器初級線圈勵磁電流的方向不會來回改變，并且當控制開關斷開時，流過變壓器初級線圈中的勵磁電流也被切斷，原來勵磁電流存儲于變壓器鐵芯中的磁能量會轉(zhuǎn)換成反電動勢向負載提供輸出；而雙激式開關變壓器則相反，流過變壓器初級線圈勵磁電流的方向會來回改變，原勵磁電流存儲于變壓器鐵芯中的磁場能量將被新勵磁電流產(chǎn)生的磁場強制退磁，它不會向負載提供能量輸出，而只能轉(zhuǎn)化成熱能被損耗在變壓器鐵芯之中。

磁滯損耗在一般變壓器鐵芯中會引起磁致伸縮，使變壓器鐵芯產(chǎn)生機械變形和產(chǎn)生振動，并發(fā)出聲音；有時這種聲音還很令人討厭，特別是產(chǎn)生調(diào)制交流聲的時候；解決的辦法只能改變開關電源的工作頻率和控制信號調(diào)制包絡的頻率；如果磁致伸縮的頻率與變壓器鐵芯機械振動（自由震蕩）的頻率相同，可能還會產(chǎn)生共振，會對變壓器造成損傷，這種情況要嚴格防止發(fā)生。