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技术专题
变压器的磁滞损耗及其对交流电路的影响
变压器是实现现代生活的重要设备之一，因为它们提供了至关重要的电源转换功能。它们将交流电压/电流升高或降低到有用的水平，然后可以将其转换为直流并用于为您喜欢的电子设备供电。如果您想将任何东西插入墙上并接收电网电源，则需要满足一些重要要求，其中之一与变压器中的磁滞有关。
不幸的是，磁滞会带来变压器的磁滞损耗。当输入电流来回振荡时，每个变压器都会出现一些磁滞损耗，这些损耗表现为较小的失真和输出功率效率的降低。当您需要直接在PCB上进行电源转换，或者只需要选择用于电源转换的变压器时，请注意变压器中的磁滞损耗。
是什么导致变压器的磁滞损耗？
每个变压器都包含铁磁材料作为其核心，所有磁性材料在高磁场强度下都会具有一定的磁饱和。发生这种情况时，您在磁性材料中感应出的磁化强度达到了最大值。一旦发生饱和，就不能使这种材料具有更大的磁性。结果，即使输入电流和磁通量继续增加，变压器铁芯中的感应磁化强度也停止增加。
一旦输入磁通量切换方向，就需要一定量的磁通量来使变压器铁芯中的磁化强度切换方向。这就是磁滞的本质。尽管磁场已切换方向，但直到磁场超过某个阈值（称为矫顽力），铁心中的磁化强度（在B场中显示）才不会完全减小到零。下图显示了由于线圈中的电流产生的H场，磁芯B场上的磁滞效应。
磁滞窗口。
H场不在芯材中的磁畴上起作用，但是将磁场视为经历非保守力（在许多圈子中称为磁摩擦）仍然很方便。摩擦比喻更容易，因为功率损耗将自身表现为热量。实际上，磁场实际上确实偏移了芯材中的磁畴。这会导致在非常高的磁场下工作的大型变压器产生熟悉的嗡嗡声和振动。由于存在色散，磁滞损耗随频率而变化，因此在选择变压器时应予以考虑。
您可以减少磁滞损耗吗？
简单的答案是，通过添加一些组件或调整几何形状无法轻易减少磁滞损耗。对于给定的铁心材料，变压器铁芯中的磁滞损耗与磁滞窗中封闭的面积成比例。由于这个原因，使用高度易磁化的材料，因为它们倾向于具有狭窄的磁滞窗。常用变压器铁芯材料的材料性能和100 kHz标称损耗的表格。
除磁滞损耗外，每台变压器还遭受以下损耗源：
泄漏损失。并非所有的变压器设计都是完美的，某些磁场会从变压器的铁心泄漏出去。这样可以减小在次级绕组上看到的磁场，因此输入电流将略有减小。
导体损耗。用于绕芯线形成绕组的导体（通常是铜）具有一定的电导率，因此绕组中会有一些IR降。
涡流损耗。随着输入磁通量的连续时间切换，在铁芯中会感应出涡流，从而产生欧姆损耗。此处的解决方案是使用横截面积较小且导电率较高的磁芯。
并非所有的SPICE变压器模型都包括所有损耗源。最基础的SPICE模型是纯线性，不包括任何的损失。要在标准SPICE仿真中使用实际变压器，您需要使用建模工具来解决功率转换系统中的磁滞或其他损耗。自从SPICE模拟器问世以来，就一直在研究电子设计领域。以了解更多有关为带滞回的变压器开发SPICE模型的信息。
高电流系统中的示例三相电压波形。注意由于磁滞引起的变形。
功率转换的其他重要部分
电力系统和电气设备必须遵守IEEE 519-2014，NEMA IS07 P1-2019和IEC等标准，所有这些标准都定义了电力电子设备中总谐波失真（THD）的可接受上限。这些标准以各种方式影响与变压器磁滞相关的系统的其他方面。
除了明智地选择变压器之外，您还需要仔细选择以下组件和电路拓扑，以进行功率转换，调节和滤波。下表列出了交流输入/转换部分需要包括的重要组件和电路的简短列表：
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元件/电路 |
在电源转换中的作用 |
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电磁干扰滤波器 |
使用带有共模绕组的磁芯来消除设备输入部分的共模传导EMI。请注意，这些滤波器基本上是变压器，也可能会遇到磁滞损耗。 |
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PFC电路 |
当开关稳压器汲取功率并且变压器中的磁滞损耗引起失真时，可以平滑电流波形。 |
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稳压器拓扑（LDO或开关） |
提供高效率的稳定直流输出功率。一些稳压器拓扑结构（例如正激和反激转换器）使用二极管和三绕组变压器来克服磁滞损耗，同时产生稳定的DC输出。 |
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整流二极管 |
从技术上讲，任何二极管都可用于整流器，只要其正向电压足够低即可。许多桥式整流器IC均额定用于特定的交流线路电压。 |