变压器温升的计算

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变压器温升的计算

变压器的温升（相对于环境温度）取决于磁心损耗和线圈损耗（即铜损）之和，另外还与辐射表面的大小有关。气流流经变压器可以减小变压器温升，降低的程度与气流速度（立方英尺每分钟）有关。
要想精确、系统地计算出变压器的温升是不现实的，但是基于热阻这一概念可以得到一些经验曲线，估算出来的温升误差一般在10℃以内。散热片的热阻R定义为散热片每耗散一瓦功率所带来的温升（通常以℃为单位），温升的增加dT与功率损耗P之间的关系为：dT=PR1。
提示：根据参考文献18，利用变压器总的损耗（磁心损耗以及铜损之和），变压器有效散热面积的相关信息以及散热方式有可能比较精确地计算出变压器温升。

一些适配器厂家直销磁心厂家还给出了不同产品的R值，指出磁心表面的温升为R1与磁心损耗和铜损之和的乘积。有经验的用户通常假定变压器内部最热点（一般位于磁心中心柱）的温升比磁心外表面高10~15℃。
温升不仅和辐射表面积大小有关，还与变压器总的功率损耗有关。辐射表面所耗散的功率越大，辐射表面和周围空气的温差就越大，表面更容易冷却，也就是说表面的热阻越低。
因此，在估算变压器温升时，往往将变压器总的外表面积等效成散热片的辐射表面积总的外表面积为（2x宽度x高度+2×宽度x厚度+2×高度x厚度）。等效散热片的热阻可以根据总的功率损耗（磁心损耗与铜损之和）来校正。
散热片热阻与表面积的关系曲线如图7。4（a）所示，这是一条经验曲线，是根据大量不同厂家生产的不同尺寸和形状的散热片的平均值得来的。图中曲线对应于1W功率级的热阻值，在双对数坐标中表现为一条直线。
尽管片状散热器的热阻在某种程度上与叶片的形状、叶片间的空隙和叶片是否黑化或镀铝有关，但这些都只是次要因素。在某种程度上，可以说热阻完全由散热片辐射表面的面积决定。
不同散热器厂家的产品目录中也会给出如图7。4（b）所示的热阻与功率损耗关系的经验曲线。

根据变压器的等效散热片面积（两个侧面面积与磁心边缘面积之和）计算温升。（a）热阻与散热片面积的关系。该面积为平板状散热片两侧的面积或片状散热片叶片两侧的面积。所示曲线对应的功率损耗为1W，对于其他功率等级，应乘以图7。4（b）所示的系数。（b）标准散热片热阻与功率损耗的关系。（c）不同散热片面积的温升与功率损耗的关系。将图7。4（b）中的KP1与图7。4（a）中的80A结合，可以得到不同变压器的损耗和辐射表面积与温升的关系，即T=80AP“。

综合图74（a）和图7。4（b）可得到图7。4（c），该图使用起来更为直接。它提供了不同散热面积（对角线）和功率损耗情况下的散热片温升值。前面已经给出了总损耗和总辐射表面积，因此可以直接从图中读出变压器表面的温升。通过图7。4（c）再来看看7。3。5。1小节中讨论过的两种磁心的温升。已经知道E55磁心的体积为43。5m2，工作在1600G和200kHz时，功率损耗为30。5W。根据前面的定义，该磁心的辐射面面积为16。5in2，如果完全忽略铜损，从图7。4（c）可以看出，该磁心的温升为185℃。
813E343型磁心较小，体积为1。64cm3，工作在1600G和200kHz时磁心损耗为1。15W。如前所述，它的辐射表面积为1。90in2。同样，如果完全忽略铜损，它的温升只有57℃。这就证明了高频和1600G条件下，图7。2（a）、（b）中磁心体积越小，越容易耗散功率。
如果有兴趣，可以比较一下由厂家提供的磁心热阻测量值和通过图7。4（a）计算所得的值（R，=80A，见表7。4）之间的差别。

变压器中的铜损
在7。3节中曾指出，在选择绕线尺寸时，都是以电流密度为500圆密耳每安培为前提的并且假设铜损的计算公式为（L）2R。其中，R。为所选导线的直流电阻，通过导线的长度和每英寸的阻抗值（导线规格表可以查得）可以计算得到。为电流有效值，根据电流波形（2。2。10。2节、2。2。10。3节）可以计算出来。
由于集肤效应和邻近效应的影响，绕组损耗往往比（L）2R大许多。
当变化的磁场穿过线圈时会产生涡流，集肤效应和邻近效应都是由涡流产生的。集肤效应对应的涡流是由导线自身电流所产生的磁场导致的，而邻近效应对应的涡流是相邻的导线或者导线层的电流所产生的磁场导致的。
由于集肤效应的影响，电流流过导体时趋向于集中在导体表面。集肤深度或者说环形导电面积与频率的平方根成反比。因此，频率越高，导线损失的导电面积越大，从而交流电阻也越大，铜损越多。
低频时集肤效应带来的导线阻抗并不明显，例如，当频率为25kHz时，导线集肤深度为17.9密耳。
但是，在传统的开关电源中电流波形都为矩形波，按傅里叶展开其高频分量很大。因此，即使频半较低，如25kH，由高频谐波产生的交流电阻也很大，这种情况下还是必须考虑集肤效应的。
有关集肤效应的定量分析将在下面的章节给出。
相邻导线或者线圈层与层之间的邻近效应产生的铜损有可能比集肤效应大得多。多层绕组的邻近效应损耗是相当大的，一部分原因是感应的涡流迫使净电流只流经导线截面的一小部分，增加了交流损耗。最为重要的原因是涡流比原来流经导线或者线圈层的净电流的幅值有可能大好几倍。在下面的章节将做定量分析。

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| 发布时间：2019.03.20 来源：电源适配器厂家

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