极速pk10

开关电源中磁芯损耗你真的会算吗?

首页    产品类    开(kai)关(guan)电(dian)源中磁芯(xin)损耗你真的会算(suan)吗?
广西福利彩票网⎛⎝SeGtv⎠⎞开关电源中磁芯损耗你真的会算吗?-广州世铭电力设备工程有限公司

1.引言

磁(ci)性元件(jian)是开关(guan)电源(yuan)设备(bei)中的(de)重要(yao)(yao)元件(jian),它对(dui)(dui)开关(guan)电源(yuan)设备(bei)的(de)体积、效(xiao)率有很大影响。在高频下,磁(ci)性元件(jian)损耗占整(zheng)机的(de)比(bi)重很大。因此对(dui)(dui)磁(ci)性元件(jian)的(de)损耗进行相关(guan)研究是十分(fen)重要(yao)(yao)的(de)。

磁(ci)(ci)芯损(sun)耗与磁(ci)(ci)性材料特(te)性和工作频率(lv)(lv)等(deng)密(mi)切(qie)相关。在交流磁(ci)(ci)化过程中,磁(ci)(ci)芯损(sun)耗功率(lv)(lv)(Pv)由磁滞(zhi)损耗(Ph)、涡流损(sun)耗(Pe)和剩余(yu)损(sun)耗(Pc)组成。磁滞损(sun)耗(Ph)是磁(ci)(ci)(ci)(ci)性材(cai)料在(zai)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化过程(cheng)中(zhong),磁(ci)(ci)(ci)(ci)畴要(yao)克服磁(ci)(ci)(ci)(ci)畴壁(bi)的(de)(de)摩擦(ca)而损(sun)失(shi)(shi)的(de)(de)能量,这(zhei)部分损(sun)失(shi)(shi)最终使磁(ci)(ci)(ci)(ci)芯(xin)(xin)发(fa)热而消耗(hao)(hao)掉(diao)。单(dan)位体(ti)积(ji)(ji)磁(ci)(ci)(ci)(ci)芯(xin)(xin)损(sun)耗(hao)(hao)的(de)(de)能量正(zheng)(zheng)比于磁(ci)(ci)(ci)(ci)滞(zhi)(zhi)回线包(bao)(bao)围的(de)(de)面积(ji)(ji)。每磁(ci)(ci)(ci)(ci)化一个周期,就(jiu)要(yao)损(sun)耗(hao)(hao)与磁(ci)(ci)(ci)(ci)滞(zhi)(zhi)回线包(bao)(bao)围面积(ji)(ji)成正(zheng)(zheng)比的(de)(de)能量,所以(yi)可(ke)以(yi)得(de)出:磁(ci)(ci)(ci)(ci)滞(zhi)(zhi)曲线面积(ji)(ji)越(yue)小(xiao),磁(ci)(ci)(ci)(ci)滞(zhi)(zhi)损(sun)耗(hao)(hao)就(jiu)越(yue)小(xiao);频率越(yue)高,损(sun)耗(hao)(hao)功率越(yue)大。涡流损(sun)耗(hao)(hao)(Pe)是因磁芯材料的电阻率不是无限大,有一定的电阻值,在高频时还是会由于激磁磁场在磁芯中产生涡流而导致损耗。剩余损耗(Pc)是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中,磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态,而是需要一个过程,这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。本文对高频下磁芯损耗的计算进行了研讨。

2.磁芯损耗的经典计算方法

前面对磁(ci)芯(xin)损(sun)(sun)耗的(de)构成进行(xing)了(le)分析(xi),磁(ci)芯(xin)损(sun)(sun)耗功率(Pv)由磁(ci)滞(zhi)损耗(hao)(Ph)、涡流损耗(Pe)和剩(sheng)余损耗(Pc)组成:

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\ef72d8ebe2fcf1628f61c06129b33dd5.png

对于软磁(ci)铁氧体,文献[1]分别(bie)给(ji)出了正弦波(bo)形(xing)激励下PhPe,Pc 的计算模型,但并不适合工程上的应用。在一个(ge)世(shi)纪以前Steinmetz 总结出一个(ge)实用于(yu)工程计算磁芯损耗(hao)的经验公式:

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\4008f06aecc20b205ac3f21abf8ce2d6.png

这个公式表明(ming)单位体(ti)积(ji)的损(sun)耗Pv 是(shi)(shi)重复磁化频率(lv)和磁通(tong)密(mi)度(du)的指数函数。Cm ,α 和β 是(shi)(shi)经验(yan)参数,两个(ge)指数都可以不为整(zheng)数,一(yi)(yi)般的1<α<3 和 2<β<3。对于(yu)不同(tong)的材质,生产厂家一(yi)(yi)般会给出其(qi)相应(ying)的一(yi)(yi)套(tao)参数,但公(gong)式和参数仅(jin)仅(jin)适用于(yu)正弦的磁化情(qing)况,这是(shi)(shi)该经验(yan)公(gong)式应(ying)用于(yu)开关电源领域(yu)的一(yi)(yi)个(ge)主要缺陷(xian)。

3.Steinmetz 经验公式的应用与调整

3.1 频率和温度的影响

借助 Steinmetz 模型计算磁损在工程上的应(ying)用十分广泛,然而该模型的参数(shu)随频率变化,也就是说用来反映频率和最大磁感应(ying)强(qiang)度与(yu)磁损关系的幂(mi)指数α 和β 的拟合值在不同(tong)频率时是不同(tong)的,同(tong)时温度对磁芯损耗的影(ying)响也很大。

图1给出(chu)了(le)飞利(li)浦公司的3F3 材料单位体(ti)积损耗和温度的关系(xi)。既然磁芯(xin)损耗随温度的变化(hua)而(er)变化(hua),那么(me)计算公式就应该(gai)考虑温度的影响(xiang)。但式(shi)(2)中没有明显体(ti)现温度(du)影响的(de)(de)(de)参数。为(wei)此,一(yi)些产(chan)商在Steinmetz 经验(yan)公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)基础(chu)上进行改进,把温度(du)和频率(lv)的(de)(de)(de)影响包括在一(yi)个(ge)更加通用的(de)(de)(de)公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)中,比(bi)如下(xia)式(shi)(shi)就是飞利(li)浦公(gong)(gong)(gong)司提出(chu)的(de)(de)(de)计算正弦波下(xia)的(de)(de)(de)单位体(ti)积的(de)(de)(de)磁芯(xin)损耗(hao)公(gong)(gong)(gong)式(shi)(shi)(W/m3)。

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\6ca11f0b3216196ed1e2baccbce91c49.png

其中:

式(3)中参数(shu)(shu)Cm、α、β 反映了频率对磁芯损耗(hao)的(de)影(ying)响(xiang)。而参数(shu)(shu)ct0、ct1、ct2,和T 体(ti)现了温度的(de)影(ying)响(xiang),温度的(de)总(zong)体(ti)影(ying)响(xiang)用参数(shu)(shu)CT 来(lai)表示。表1 为飞利浦公司提供的(de)材料的(de)相应参数。应用式(shi)(3)和(4) ,Steinmetz 经验公式(shi)(2)可以用来计算正弦波励磁(ci)时,不同(tong)频(pin)率和温(wen)度下磁(ci)芯材料的(de)单位体积损耗(hao)。

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\533bea4e4ff661bb4b24acc7080cff05.png

表1 飞利浦公司常用磁材料的单位体(ti)积(ji)损耗(W/m^3)的参数列表

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\aca22cd297e089f0835b9b29f163fa51.jpg

3.2 非正弦(xian)激磁(ci)的影响

前人试图通(tong)过对(dui)任意的(de)(de)非正(zheng)(zheng)弦(xian)波进行(xing)傅(fu)立(li)叶展开(kai),来克服Steinmetz 模型不(bu)能应用于非正(zheng)(zheng)弦(xian)激(ji)磁(ci)下的(de)(de)磁(ci)芯(xin)损(sun)耗(hao)(hao)计(ji)算的(de)(de)缺(que)陷,但叠加的(de)(de)方法(fa)(fa)只适合(he)线性系统,对(dui)与非线性的(de)(de)磁(ci)材料而言,用傅(fu)立(li)叶展开(kai)再(zai)叠加的(de)(de)方法(fa)(fa)来计(ji)算磁(ci)芯(xin)损(sun)耗(hao)(hao)是(shi)不(bu)正(zheng)(zheng)确(que)的(de)(de)。

式(2)表(biao)达(da)的(de)(de)Steinmetz 模型(xing)被证明是(shi)最有用的(de)(de)计(ji)(ji)算(suan)磁芯损耗的(de)(de)工具,该公式只需要三个参数,而且生产(chan)厂家一般(ban)都提供(gong)这些(xie)参数。对于正弦的(de)(de)磁通波形,用该式进行(xing)磁芯损耗计(ji)(ji)算(suan)可以得(de)到(dao)较高(gao)的(de)(de)精度和应用上的(de)(de)便利(li)。因此值(zhi)得(de)把该式扩展到(dao)非(fei)正弦的(de)(de)情况下。为(wei)此Reinert 提出了修(xiu)正的Steinmetz 经验公式(shi)来计算磁(ci)(ci)芯损耗[2]。已经得到证明(ming)的一(yi)个事实是:宏观的重(zhong)复(fu)磁(ci)(ci)化速率和磁(ci)(ci)芯损耗有直接关系。因(yin)此(ci)式(2)的扩展(zhan)任务主要就是把式(2)中的频率f 用(yong)物(wu)理上的参数dM/dt 来代(dai)替,而dM/dt 是和磁(ci)通变化率(lv)dB/dt 相对(dui)应的。

首先,对磁通(tong)变化(hua)率(lv)dB/dt 在(zai)一个完整(zheng)的磁化周期(qi)里(li)进行(xing)平均,得到下式:

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\0d5b56afde6130e096aa89c27152c285.png

其(qi)中△B=BmaxBmin,式(5)可变为:

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\9ce70a22556e2d394adf3ba9aa571277.png

文献(xian)[3]指(zhi)出,上式可以通过转化因(yin)子(zi):2/△Bπ^2 得到一(yi)个等效的正弦(xian)重复磁(ci)化频(pin)率feq

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\56dfbc2220f6764cf789bc62ecf83a29.png

和Steinmetz 经验公式相似,可以推出(chu)一个磁化周(zhou)期(qi)的能(neng)量损耗表达(da)式如下(xia):

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\a8afe0a43a59d22bc86845530a691875.png

如果磁化周期为Tr=1/fr则单位体(ti)(ti)积的损(sun)耗为(W/m^3)可表示为:

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\3b3e482f09c58101d9b85417f8f9a4a7.png

式(shi)(9)称(cheng)为修正(zheng)的(de)Steinmetz 经验(yan)公(gong)式(shi),该式(shi)可用于任意的(de)非正(zheng)弦磁化波(bo)形。注意的(de)是公(gong)式(shi)中(zhong)的(de)参数Cm ,α 和(he)β 要根据feq 来(lai)选择。

3.3 直流偏置的影响

Brockmeyer[4-5]通过(guo)比(bi)较不同磁感应强度(du)的交流分量(liang)BAC和直流分量(liang)BDC作用下的磁芯损耗(hao)发现,损耗(hao)随两个分量(liang)的增加(jia)而增加(jia)。同时发现只有当反复磁化过程(cheng)不会因为直流(liu)偏(pian)置而趋于饱(bao)和,并(bing)且当交流磁(ci)感应量非常小(xiao)时,直流偏(pian)置对反复磁(ci)化造成的磁(ci)芯(xin)损耗的影响才可忽略。考(kao)虑(lv)直流偏(pian)置磁(ci)化的影响,Brockmeyer通过调(diao)整损(sun)耗参(can)数Cm,得到下述(shu)经(jing)验(yan)公式:

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\7d4135be1afd33cf08163255ccd4fc21.png

其中(zhong):

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\5a1fed5ef2efcbe9d3c4a28b8c42f13e.png

其中:K1,K2 为常数(shu),用来(lai)表征(zheng)磁性材料(liao)的直流偏置特性,可通(tong)过不同频(pin)率和磁化状态下(xia)所测(ce)量的磁芯(xin)损耗拟合得到。

4.当前存在的问题和今后的工作展望

 

在(zai)前面的(de)(de)叙述(shu)中(zhong),指(zhi)(zhi)出了(le)(le)磁(ci)(ci)(ci)(ci)芯(xin)损(sun)耗和温度(du)密切相(xiang)关,并指(zhi)(zhi)出了(le)(le)在(zai)不(bu)同温度(du)下,磁(ci)(ci)(ci)(ci)芯(xin)损(sun)耗的(de)(de)计算方法。但在(zai)实际工(gong)作中(zhong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)芯(xin)的(de)(de)温度(du)并不(bu)能事先知道,为(wei)了(le)(le)准确的(de)(de)计算磁(ci)(ci)(ci)(ci)芯(xin)损(sun)耗,应该建(jian)立(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)性元(yuan)件(jian)的(de)(de)热模(mo)型,把(ba)磁(ci)(ci)(ci)(ci)芯(xin)损(sun)耗计算方法和磁(ci)(ci)(ci)(ci)性元(yuan)件(jian)的(de)(de)热模(mo)型结合(he)起(qi)来,才能准确地计算磁(ci)(ci)(ci)(ci)性元(yuan)件(jian)的(de)(de)损(sun)耗。

5.结束语

当前开关(guan)电(dian)源(yuan)正向模块化(hua)、小(xiao)型化(hua)方向发(fa)展,对(dui)功率密度和效率的要求越(yue)来越(yue)高。磁性元件作(zuo)为开关(guan)电(dian)源(yuan)中的关(guan)键元件,对(dui)设备的体(ti)积和效率有(you)很大的影响。因(yin)此对(dui)磁性元件损(sun)耗进行相关(guan)研究(jiu)是十分必(bi)要的。

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\5a2db86a7ebce7ed91c9b402e367e4e3.jpg

2020年3月(yue)14日 08:39
浏览量:0
收藏

极速pk10(www.jkg-movie.net)【老品牌·大平台】极速pk10车官方唯一正规出品,体现快到账快,安全有保障,极速pk10车平台是值得您信赖的专业彩票网站。