1、周洁敏周洁敏Ji e mi n zh n u a a . e d u . cn2 0 1 2 年 年 7 月 月 1 4 日上海电源网学术交流 日上海电源网学术交流专题报告 专题报告 变压器线圈损耗及计算 变压器线圈损耗及计算南京航空航天大学 南京航空航天大学二、磁芯损耗 二、磁芯损耗一、线圈损耗 一、线圈损耗 变压器损耗 变压器损耗 1 、线圈的高频损耗分析2 、线圈损耗计算变压器温度升高 变压器温度升高 绝缘材料老化 绝缘材料老化磁芯磁导率改变 磁芯磁导率改变 失去磁性 失去磁性 能量浪费 能量浪费降低损耗是设 降低损耗是设 计的总目标 计的总目标损 损 耗 耗一、线圈损耗 一、线圈损耗给
2、定损耗下线圈的散热性能决定线圈的温 升，而绝缘等级决定了温升的限制，即最大 允许温升，如果超过绝缘温升限制，导致绝缘材料加速老化，会缩短绝缘材料的寿命。1 、线圈的高频损耗分析定性分析线圈的高频交流损耗 定性分析线圈的高频交流损耗高频电流引起的集肤效应低频时单根导体的磁场强度导体内的集肤效应引起电流密度改变高频电流流过线圈时的电流分布线圈导体层中的邻近效应及电流分布2 、线圈损耗计算 、线圈损耗计算( 二 二 二 二 二 二 二 二 ) 绝缘、热阻和电流密度选取 绝缘、热阻和电流密度选取 绝缘、热阻和电流密度选取 绝缘、热阻和电流密度选取 绝缘、热阻和电流密度选取 绝缘、热阻和电流密度选取 绝
3、缘、热阻和电流密度选取 绝缘、热阻和电流密度选取( 一 一 一 一 一 一 一 一 ) 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算( 三 三 三 三 三 三 三 三 ) 变压器的损耗变化曲线 变压器的损耗变化曲线 变压器的损耗变化曲线 变压器的损耗变化曲线 变压器的损耗变化曲线 变压器的损耗变化曲线 变压器的损耗变化曲线 变压器的损耗变化曲线线圈发热是功率损耗引起的。在高频情况 下，交流分量电流产生交流电阻损耗，直 流分量产生直流电阻损耗。总损耗是两者之和。因此计
4、算线圈损耗前应当计算线圈 电流的有效值。在开关电源中，有几种可能的电流波形， 其峰值、平均值和有效值关系计算如下：( 一 一 一 一 一 一 一 一 ) 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算 线圈电流有效值的计算（ （ （ （ （ （ （ （ 1 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算（ （ （ （ 2 2 ）断续三角波电流有效值
5、计算 ）断续三角波电流有效值计算 ）断续三角波电流有效值计算 ）断续三角波电流有效值计算（ （ （ （ 3 3 ）连续三角波电流有效值计算 ）连续三角波电流有效值计算 ）连续三角波电流有效值计算 ）连续三角波电流有效值计算（一）线圈电流有效值的计算 （一）线圈电流有效值的计算 （一）线圈电流有效值的计算 （一）线圈电流有效值的计算开关电源中最常见的电流波形是梯形波 推挽变压器的初级电流正激变压器的初级和次级电流 电感电流连续模式单端反激变压器初级电流（ （ （ （ （ （ （ （ 1 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有
6、效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算 ）梯形波电流有效值计算aT o naTd c D IdttT IIITi dtTI o no n = += 00 211( ) += 12 22 IIDI a)1( DDII aac =( 0 )20( )a onononI Ii I t t TTi T t T = + = 直流分量总有效值交流分量的有效值表达式 表达式2 pdc D II =3DII p=43 2DDII pac =电流平均值电流总有效值交流分量有效值（ （ （ （ 2 2 ）断续三角波电流有效值计算 ）断续三角波电流有效值计算 ）断续三角波电流有效值计算 ）断续三角
7、波电流有效值计算adc II =aa IIII += 12 )( 2232 II ac =电流平均值电流总有效值交流分量有效值（ （ （ （ 3 3 ）连续三角波电流有效值计算 ）连续三角波电流有效值计算 ）连续三角波电流有效值计算 ）连续三角波电流有效值计算如图示，变压器初级线圈电流中值 如图示，变压器初级线圈电流中值选择导线尺寸 选择导线尺寸磁芯窗口宽度 磁芯窗口宽度1 a 2 0 AI = 0 . 5D = 9 0 k H zf24 m mw = 24 A / m mj =电流密度 电流密度【例题】 【例题】d c 1 a 0 . 5 2 0 1 0 AI D I= = =1a 0.5
8、20 14 AI D I= = =2 2 2 2a c dc 0.5 20 10 10 AI I I= = =平均电流 平均电流总有效值 总有效值 交流分量有效值 交流分量有效值2C u a c / 10 / 4 2.5m mA I j= = =需要的导线截面积 需要的导线截面积变压器导线的选择及其绕法 变压器导线的选择及其绕法 有多种，下面进行介绍。 有多种，下面进行介绍。(a) 选择圆导线 选择圆导线根据表格 根据表格 10 匝导线的宽度为 匝导线的宽度为 19.2mm24mm ，两端 ，两端留 留 2mm 的爬电距离，能够绕下。也即绕 的爬电距离，能够绕下。也即绕 1 层 层 p=1 。
9、 。90kHz 集肤深度，线圈发热以工作温度 集肤深度，线圈发热以工作温度 100 C已知磁芯窗口宽度 已知磁芯窗口宽度37 . 6 7 . 6 0 . 0 2 5 c m 0 . 2 5 m m9 0 1 0f = = = =24 m mw =铜层系数 铜层系数层厚度与集肤深度的比 层厚度与集肤深度的比查 查 DOWELL 曲线 曲线a c d c/ 5 . 7RF R R= / 1 . 8 / 1 . 9 2 0 . 9 4lF d d= = =l0 . 8 3 0 . 8 3 1 . 8 1 . 8 / 1 . 9 2 5 . 80 . 2 5d FQ = = =a c d c/ 5 .
10、 7RF R R= 5 . 8Q =p =1（ （ （ （ b b ）选择多股绞绕圆导线 ）选择多股绞绕圆导线 ）选择多股绞绕圆导线 ）选择多股绞绕圆导线选择导线直径小于两倍集肤深度 选择导线直径小于两倍集肤深度 选择导线直径小于两倍集肤深度 选择导线直径小于两倍集肤深度查表选择 查表选择2 2 0 . 2 5 3 0 . 5 1 m md = =0 . 4 5 m md = 0 . 5 1 m md =2C u n 0 . 1 5 9 m mA =需要的导线股数 需要的导线股数 16 股导线相当于 股导线相当于 4 4 矩形 矩形 C u C u n/ 2 . 5 / 0 . 1 5 9 1
11、 5 . 7 1 6N A A= = = 20.4 m m40 0.51mm=20.4mm每层宽度 每层宽度选择多股导线并不 选择多股导线并不 能减少交流电阻 能减少交流电阻p =40 . 8 3 / 0 . 8 3 0 . 4 5 0 . 4 5 / 0 . 5 1 1 . 3 7 50 . 2 5 5d d dQ = = =7RF （ （ c ）多股线交错绕 ）多股线交错绕将多股导线夹在两个 将多股导线夹在两个一半次级中，以 一半次级中，以 2 层 层计算查 计算查 DOWELL 曲线。 曲线。p=2交错绕可以减 交错绕可以减 少交流电阻。 少交流电阻。1 . 3 7 5Q =R 2 .
12、3F （ （ d ）采用利兹线 ）采用利兹线选用面积为 选用面积为 0.18mm2 的利兹线， 的利兹线， 100 股，相当于 股，相当于10 10 层，可以计算出 层，可以计算出0 . 8 3 / 0 . 8 3 0 . 1 8 0 . 1 8 / 0 . 2 2 0 . 5 10 . 2 5 5d d dQ = = =p=10 查 查 dowell 曲线 曲线非常满意 非常满意1 . 6RF =（ （ f ）采用铜箔 ）采用铜箔铜箔厚度 铜箔厚度非常满意 非常满意即使最大 即使最大 p =10 层时 层时铜箔宽度 铜箔宽度 2 0 mmw =/ 2 . 5 / 2 0 0 . 1 2 5C
13、 uA w m m = = =/ 0 .1 2 5 / 0 .2 5 3 0 .4 9Q = = =1 . 6RF =（二）绝缘、热阻和电流密度 （二）绝缘、热阻和电流密度 （二）绝缘、热阻和电流密度 （二）绝缘、热阻和电流密度绝缘材料作用 避免导线之间短路和电气隔离 （ （ （ （ 1 1 ）绝缘 ）绝缘 ）绝缘 ）绝缘磁性器件的寿命和可靠性主要取决于绝缘系 磁性器件的寿命和可靠性主要取决于绝缘系 统，绝缘系统的损坏主要是由高温热老化所 统，绝缘系统的损坏主要是由高温热老化所 引起的。它的损坏总是发生在绕组的内部， 引起的。它的损坏总是发生在绕组的内部，因此绕组内部的绝缘更显得特别重要。 因此绕组内部的绝缘更显得特别重要。热是绝缘材料老化的主要因素。材料在热 作用下能工作的时间称为寿命。从寿命角 度规定材料的极限工作温度，国际电工协会IEC规定绝缘材料 7 个耐温等级。
