一、磁心材料
磁心材料是影响变压器效率的首要因素。不同磁心材料的磁导率和损耗特性直接决定了变压器的效率。常见的磁心材料包括矽钢片、非晶材和铁氧体,前者适用于高频应用,后者则在低频应用中表现出色。
现行的技术可以透过提高开关频率可以缩小变压器的体积,但是提高频率却会使变压器产生更高的铁损(包含磁滞损及涡流损)及铜损(集肤效应),导致其转换效率下降。在高频应用中,平板变压器能改善这些损耗,达到高达90%以上的转换效率,选择合适的磁心材料不仅可以减少损耗,还能提高磁路的效率,从而大幅提升变压器的总体效率。
影响铁芯效率还有两个主要参数,磁滞曲线及漏磁效应(FRINGING EFFECT)
磁滞曲线是指磁感应强度(B)与磁场强度(H)之间的关系的曲线。两者关系是非线性的,当磁场强度增加时,磁感应强度会沿着曲线上升达到Bs点,此时即使磁场强度继续增加,磁感应强度趋向缓和增加,此称作磁饱和。变压器饱和会造成电感减少,造成变压器的线圈流过大电流而破坏开关元件。因此设计时需要避免变压器的饱和。
漏磁效应(FRINGING EFFECT)是指磁通在靠近磁心气隙处弯曲时所发生的效应。这种磁通弯曲的距离基本上与气隙的长度成正比。为了降低漏磁效应,气隙与铜线的相对位置以大小就成为铁芯选择时的重要条件。
二、绕组结构
绕组结构对变压器的电性能和热性能有重要影响。合理的绕组排列可以降低漏感和电感,从而提高变压器的效率。常见的绕组材料有铜线和PCB,多层板PCB虽然成本较高,但偶合性和散热性能优于铜线。因此,优化绕组结构和材料选择是提升变压器效率的关键之一。现有的技术中也有将PCB改为铜箔或是扁铜线的延伸设计,可以有效降低成本,但是当大批量生产时,PCB依然是最具有量产一致性的生产制程。
三、绕组电阻
绕组电阻是绕组中能量损耗的主要来源之一。降低绕组电阻可以有效提高变压器的效率。这可以通过使用较粗的导线、优化绕组布局和选择低电阻材料来实现。此外,减少绕组中的接点和焊点也有助于降低电阻损耗,进一步提高变压器的效率。现有材料技术中也有在导体内加入其他材质的做法(例如改性铜),可以再提升导电性。然而这类材料在成本上相对较高,仅有少数应用会投入使用。
四、散热设计
变压器在运行过程中会产生大量热量,良好的散热设计有助于维持变压器的正常工作温度,从而提高其效率。常见的散热方法包括散热片、强制风冷和液冷。选择适当的散热设计可以避免过热引起的损坏,延长变压器的使用寿命。
五、漏感
漏感是变压器设计中的一个重要问题,会导致能量的损失和效率的降低。降低漏感可以通过改进绕组结构、减少绕组之间的距离和选择合适的磁心材料来实现。尤其是在高频应用中,合理设计绕组的分布电容也是减少漏感的重要措施。
六、空载损耗
空载损耗是变压器在没有负载时产生的能量损耗,主要包括磁心损耗和绕组损耗。降低空载损耗是提高变压器效率的重要途径。选择具有低磁滞损耗和涡流损耗的磁心材料,优化绕组设计以减少电阻损耗,都是减少空载损耗的有效方法。此外,适当的热处理和表面处理技术也可以降低材料的损耗。
七、线间电容
线间电容是指绕组之间的电容效应,它会影响变压器的高频特性和效率。在高频运行时,线间电容会导致能量损失和效率降低。降低线间电容可以通过改进绕组结构、增加绕组间的绝缘和选择适当的材料来实现。有效控制线间电容可以提高变压器的高频效率和稳定性。
总结来说,影响平板变压器效率的七大关键参数包括磁心材料、绕组结构、绕组电阻、散热设计、漏感、空载损耗和线间电容。精确控制这些参数,可以设计出高效、可靠的平板变压器,满足现代电力应用的需求。随着技术的不断进步,未来平板变压器的设计将更加精密和高效,为各种应用场景提供稳定的电力保障。