不同占空比下功率变换器磁芯损耗分析与建模

功率变换器中磁芯损耗与励磁波形密切相关。为了有效地评估和预测不同占空比的磁芯损耗,以铁氧体磁芯材料为研究对象,分析影响磁芯损耗的两个重要因素——交流磁通密度峰值和励磁频率,进一步研究磁芯损耗与磁通密度变化率的关系,引入矩形波励磁下磁通密度变化率波形系数的概念,在占空比为0.5时磁芯损耗模型的基础上,对不同占空比工况下磁芯损耗进行建模。最后,采用Origin数据统计分析软件对比了实验数据和所提出模型的计算结果,验证了模型的准确性。     

非正弦励磁下磁芯损耗的计算

磁性元件的损耗在开关电源中占相当大的比例,因此磁芯损耗的计算在开关电源设计中相当重要. 文中首先介绍了在正弦励磁下,计算磁芯损耗的Steinmetz 经验公式,然后对修正的Steinmetz 经验公式进行了回顾.修正后的公式可以用来计算非正弦励磁下的磁芯损耗,同时所需参数和修正前的公式一样.最后介绍修正的Steinmetz 经验公式在开关电源领域中的应用.     

基于差值功率的高频磁芯损耗测量方法及装置

现有磁芯损耗的各种电气测量方法主要是基于测量绝对功率来获得磁元件的磁芯损耗,同时也存在各自的局限。提出了一种高频磁元件磁芯损耗的测量新方法——差值功率测量法,通过测量测试电路输入功率的增量差值来获得给定工况下磁元件的磁芯损耗。以全桥DC/AC逆变电路作为励磁源和测试电路,采用DSP数字控制技术并结合上位机软件,研制了基于差值功率测量法的自动测量装置,实现了对不同PWM励磁工况下的磁芯损耗的测量。最后通过定标量热计法对提出的测量方法和装置进行验证,验证了其可行性和准确性。     

基于TEAM P21基准模型的杂散损耗测量方法研究与验证

基于TEAM P21基准模型,结合电磁场仿真软件,对不同频率下导磁构件的杂散损耗问题进行了实验及仿真计算研究。在TEAM P21基准问题中,由于导磁构件会对励磁线圈的漏磁通带来影响,所以传统的通过负载(励磁线圈加结构件)损耗减掉空载(励磁线圈)损耗得到的导磁构件损耗会带来一定误差。为避免此误差,提出了一种测量导磁结构件杂散损耗的新方法,即在仿真软件可对励磁线圈(铜线圈,线性材料)损耗进行较准确计算的前提下,通过仿真计算得到有空载及负载工况条件下的励磁线圈损耗差并对实验结果进行修正。所提出的测量方法和获得的实验数据有助于得到更准确的导磁构件杂散损耗实验结果并有助于提高仿真计算的准确性。     

分离式变压器电磁结构与参数分析

为提高松耦合感应电能传输系统的传输能力.对系统的核心部件--分离式变压器的结构特点及参数进行研究.在分析松耦合变压器的互感等效电路模型的基础上,对电路的开路输出电压、励磁电流等变量进行分析,建立其与自感系数、互感系数、耦合系数等结构参数的关系,并分析了电路的阻抗特性与传输效率.通过仿真与实验,研究了系统的变量与磁芯间隙、系统频率之间的关系.为提高分离式变压器的耦合系数,对3种磁芯线圈结构进行参数测量,获得变压器的最优结构.仿真与实验结果表明,磁芯间隙不仅降低了线圈的耦合系数,且降低了励磁电感,需通过提高系统工作频率来抑制励磁电流,提高系统传输效率;通过优化磁芯线圈结构及磁芯间隙可提高系统传输能力和稳定性.     

脉宽调制波形励磁磁芯损耗的直流功率测量法

介绍和分析了脉宽调制波形励磁下磁芯高频损耗的新测量方法——直流功率测量法的基本原理、误差构成、定标以及上位机实现,并实际测试对比了正弦波形和脉宽调制波形励磁下磁芯损耗的差异。通过合适的定标方法可以有效消除直流功率测量法的杂散损耗,提高测量精度。提出了定标模型以及定标的具体方法和注意点,结合DSP控制上位机的自动数据处理,得出了定标模型的各个参数。实验验证直流功率测量法及其定标方法有较好的工程应用精度。     

矩形截面圆环铁氧体磁芯电感器频率特性

本文建立了铁氧体磁芯电感器的集中参数模型,该模型包括电感、寄生电容及等效的损耗电阻等参数。其中等效的损耗电阻考虑了绕组导线由于集肤和邻近效应的交流电阻,同时将铁氧体磁芯的损耗等效为与频率有关的电阻。通过实例,给出了模型的等效串联电阻、等效串联电抗和相位角的计算值和测量值随频率变化的曲线,并进行了比较。计算结果与网络分析仪测量结果有很好的吻合,验证了模型的正确性。     

共模扼流圈饱和效应分析及动态电感计算

研究了差模电流激励下的共模扼流圈磁饱和效应.建立了共模扼流圈的有限元分析模型.共模扼流圈三维磁场分布的仿真计算结果显示,磁芯中差模电流激励的磁通并没有完全抵消,仍有少量漏磁存在.这些漏磁增加了磁芯的磁通密度,并导致磁芯部分饱和.为得到共模扼流圈在磁芯部分饱和情况下的共模电感值,借助有限元数值分析,给出了求取共模扼流圈动态电感的计算方法.最后设计了测量差模电流激励下共模扼流圈动态饱和电感的实验,仿真计算与实验测量结果吻合较好,表明所提出的共模扼流圈动态电感的计算方法是有效的.     

基于空载试验数据和UMEC的单相四柱换流变压器饱和模型研究和有效性验证

为了准确快捷地对单相四柱换流变压器进行电磁暂态仿真,提出了一种基于空载试验数据和统一磁路(unified magnetic equivalent circuit,UMEC)模型的单相四柱换流变压器饱和模型.基于UMEC磁路模型,推导了单相四柱换流变压器的关联矩阵、电感矩阵和铁芯磁导的求解方法.在考虑饱和情况时,以非线性电阻与非线性电感的并联来模拟励磁支路,通过空载试验数据,得到励磁支路的u-iR和u-iL瞬时值的分段线性化曲线,以此来模拟铁芯损耗和磁导的非线性.该方法基于UMEC模型,计算速度快效率高,且通过空载试验数据整体考虑了铁芯主柱、铁轭、旁柱和旁轭磁导的非线性,精度较高.最后应用该方法对缩比模型以及产品级单相四柱换流变压器在正常工况与直流偏磁条件下进行仿真计算,并与实验测量做对比,证明了该模型具有较高精度.     

高频磁性元件Saber损耗模型的研究

在电力电子产品设计过程中，损耗仿真开始受到越来越多的关注。损耗仿真的精确程度取决于所应用的元件的损耗模型，特别是磁性元件。Saber软件是一个功能强大的仿真工具，提供了丰富的磁芯模型。在结合磁芯模型和阻抗测试数据的基础上，本文提出了一种构造磁性元件损耗模型的方法。利用这种方法，构造了变压器、PFC电感、滤波电感及磁放大器的损耗模型，并对部分模型进行了实验验证，对比结果表明所提出的建模方法与模型是有效的。     

磁元件绕组损耗的直接测量法

磁元件中磁芯损耗和绕组损耗作为一个元器件中的两部分损耗两者本身难以分离开,目前还没有一种有效的既能测量给定励磁工况下磁元件绕组损耗,又能直接测量功率变换器中磁元件绕组损耗的测量评估方法。提出了一种可直接测量磁元件绕组损耗的方法,在磁元件中引入一个辅助绕组,通过分析被测绕组端口和辅助绕组端口之间电参数的关系,得到只体现被测绕组损耗的电参数,以获得被测绕组的损耗。最后,以空心电感作为测试对象,采用高精度的功率测量仪器对绕组损耗进行测量,通过阻抗测量法结合计算空心电感绕组损耗的方法进行验证,验证了所提方法的可行性和准确度。     

高频薄膜微电感建模与耦合度分析

分析高频下薄膜微电感磁路磁阻的非线性,根据磁通分布情况建立了两相耦合跑道型薄膜微电感的磁路模型,结合磁路模型研究了跑道型薄膜微电感的磁芯中柱气隙大小、磁芯分层情况、工作频率大小、两相绕组间距大小以及边柱气隙大小对耦合度的影响,并运用Maxwell软件的仿真结果验证了理论分析的准确性。     

永磁体预偏磁功率电感永磁结构分析

磁元件在各种功率变换器中一直有着不可替代的作用,如电感在电路中起到储能、滤波等作用,并且其体积占据的比重也较大,因此磁元件的优化设计备受关注,永磁体偏磁技术的出现为其开辟了一条新的途径。永磁体偏磁技术不仅可以提高磁元件的抗饱和能力,也有助于减小磁元件的体积。针对现有偏磁方案的不足,以Boost电感为例,建立电感的磁路模型进行分析,得到电感各个磁路上的参数设计要求,防止磁芯退磁,提高电感元件工作的稳定性,最终设计出新型的偏磁方案模型。对比几种优化结构,采用钕铁硼作为永磁体材料,用高饱和磁密的磁芯材料把永磁体和电感磁芯隔离开,避免局部饱和,并且当支路磁芯体积较大、永磁体夹在两个支路磁芯中间时,该结构的效果较好。同时还对引入短路环进行损耗分析。当下功率变换器不断朝着轻量化、小型化、高功率密度化方向发展,永磁体预偏磁技术为其增加了更多的可能性。     

电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算（中）

（续上期） 例4已知某大功率电子镇流器所用电感为PC40（JP4A）材料、EE28磁芯,磁芯的磁感应强度为200mT,EE28的有效体积Ve为5254mm^3。计算它在100％的条件下,当频率为20kHz和40kHz时磁芯的功率损耗,     

Ni取代对FeCuNbSiB纳米晶磁芯软磁性能的影响

用单辊法制备了宽20 mm、厚25μm的Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9和Fe_(73.5)Ni_(0.3)Cu_1Nb_3Si_(14.2)B_8合金带材,然后绕制成外径为40 mm、内径为25 mm的环型磁芯,并在不同温度下进行退火处理,研究了Ni取代对合金带材的晶化行为以及纳米晶磁芯软磁性能的影响。结果表明,与FeCuNbSiB合金带材相比,Ni取代的FeNiCuNbSiB合金带材,其一级起始晶化温度Tx1和一级晶化峰温度Tp1降低,其二级起始晶化温度Tx2和二级晶化峰温度Tp2升高,两级起始晶化温度之间的差值ΔTx增大。与FeCuNbSiB纳米晶磁芯相比,Ni取代的FeNiCuNbSiB纳米晶磁芯的起始磁导率μi、饱和磁感应强度Bs减小,矫顽力Hc增大;当测试频率f和最大磁感应强度Bm不变时,有效幅值磁导率μa增大,比总损耗Ps和矫顽力Hc减小;当测试频率f不变时,电感Ls和品质因数Q增大。     

基于PFC变换器的非线性电感的设计研究

铁粉芯电感由于其高频损耗较低、饱和磁密高、气隙分布均匀等优点,在功率因数校正场合得到了广泛应用,但其非线性特性,也给电感的分析与设计带来了一定的困难。本文结合一台Boost PFC变换器,从纹波电流入手,给出了非线性电感的设计,并由此反推出磁芯选择依据的物理原理。为明确不同情况下电感的工作点,着重分析了该变换器中电感纹波电流与输入电压的关系。最后,利用回转器-电容仿真模型对电感进行建模,通过仿真和实验,证明了所建仿真模型和纹波电流分析结果的正确性。     

电感集成式大容量高频变压器精细化设计方法

针对固态变压器用电感集成式大容量高频变压器进行优化设计,分析了高频变压器漏电感参数、磁芯高频损耗、绕组高频损耗以及温升的计算方法。在此基础上,利用自由参数扫描法建立了大容量高频变压器优化设计流程。按照最优设计方案制作了一台5kHz/10kW纳米晶磁芯高频变压器模型,并对其参数进行实验测试。将解析设计与有限元仿真和实验测量结果进行对比,结果表明模型漏电感、交流电阻和磁芯损耗的相对偏差分别为2.85%、1.49%和5.35%,验证了所提设计方法的有效性。     

基于Ansys Maxwell的气隙边缘效应对电感参数的影响

鉴于气隙对高频磁性元器件的电气参数影响较大,本文建立应用于Boost电路的电感器模型,采用Ansys Maxwell有限元分析,研究了气隙电感气隙长度与布置对电感量与磁场强度分布的影响。结果表明：磁芯中添加合适的气隙,可以降低磁芯的磁密,增强其抗饱和能力,电感量有所下降。通过对比不同开气隙结构的磁芯模型,可以选用中、边柱底部开气隙的磁芯结构进行Boost电感设计,但需结合实际测试进行评估确定。     

三相并网逆变器变换效率优化设计方法研究

探讨三相并网逆变器变换效率的优化设计方法。通过建立开关器件和电感的损耗模型,将三相逆变器的效率表示为开关频率、直流母线电压、滤波电感磁芯尺寸、电感气隙长度以及绕组尺寸与匝数等参数的函数,结合并网电流总谐波畸变(THD)、电感温升等设计指标要求,将逆变器效率优化问题转换为非线性有约束条件单目标优化问题。基于优化方法得到了一种三相并网逆变器变换效率的优化设计方法,并进行了初步实验验证。     

FeSiBCuNb纳米晶共模电感铁芯成分及性能研究

为获得磁性能满足要求的共模电感铁芯,该文在纳米晶软磁合金Finemet(Fe_(73.5)Si_(13.5)B_9Cu_1Nb_3)的基础上,通过调节合金成分和选择适当的热处理工艺,成功制备出两种成分的磁性能均满足要求的共模电感铁芯,并分析了纳米晶带材中合金成分的微量变化对合金晶化温度和不同频率下的电感值的影响。结果表明,用成分为Fe_(72.75)Si_(15.8)B_(7.3)Cu_(1.05)Nb_(3.1)的带材卷绕的磁芯经过热处理后,其电感值在低频和高频条件下均能满足共模电感产品对磁芯的要求;用成分为Fe_(72)Si_(15.8)B_(8.2)Cu_1Nb_3的带材卷绕的磁芯经过热处理后,其在低频条件下的电感值远远超出标准值,将该成分的合金带材磁芯应用于共模电感产品时,其性能表现良好。