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开关电源中磁芯损耗你真的会算吗?

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幸运28大小倍投⎛⎝fQlGl⎠⎞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

磁性元(yuan)件(jian)是开(kai)(kai)关(guan)电源(yuan)设备(bei)中的(de)重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)元(yuan)件(jian),它对(dui)开(kai)(kai)关(guan)电源(yuan)设备(bei)的(de)体(ti)积(ji)、效(xiao)率(lv)有很大(da)影响。在(zai)高频下,磁性元(yuan)件(jian)损耗占整机的(de)比重(zhong)(zhong)很大(da)。因此对(dui)磁性元(yuan)件(jian)的(de)损耗进行相关(guan)研(yan)究(jiu)是十分重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)的(de)。

磁芯损(sun)耗(hao)与磁性(xing)材料特性(xing)和工作(zuo)频率等密切(qie)相(xiang)关。在交(jiao)流磁化过程中(zhong),磁芯损(sun)耗(hao)功率(Pv)由(you)磁滞损(sun)耗(hao)(Ph)、涡流(liu)损耗(Pe)和剩余损耗(Pc)组成。磁滞损耗(Ph)是磁(ci)(ci)(ci)性材料(liao)在磁(ci)(ci)(ci)化过程中(zhong),磁(ci)(ci)(ci)畴要克服(fu)磁(ci)(ci)(ci)畴壁(bi)的(de)摩(mo)擦而(er)损(sun)(sun)失(shi)的(de)能(neng)量,这部分损(sun)(sun)失(shi)最(zui)终使(shi)磁(ci)(ci)(ci)芯发热而(er)消耗(hao)(hao)掉。单位(wei)体积(ji)磁(ci)(ci)(ci)芯损(sun)(sun)耗(hao)(hao)的(de)能(neng)量正比于磁(ci)(ci)(ci)滞回线(xian)(xian)包围的(de)面积(ji)。每(mei)磁(ci)(ci)(ci)化一个周期,就(jiu)要损(sun)(sun)耗(hao)(hao)与(yu)磁(ci)(ci)(ci)滞回线(xian)(xian)包围面积(ji)成(cheng)正比的(de)能(neng)量,所(suo)以(yi)可以(yi)得出:磁(ci)(ci)(ci)滞曲线(xian)(xian)面积(ji)越(yue)小(xiao),磁(ci)(ci)(ci)滞损(sun)(sun)耗(hao)(hao)就(jiu)越(yue)小(xiao);频率(lv)越(yue)高,损(sun)(sun)耗(hao)(hao)功率(lv)越(yue)大。涡流损(sun)(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(ci)化的(de)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)芯损(sun)耗的(de)构成进行(xing)了分析,磁(ci)芯损(sun)耗功(gong)率(Pv)由磁滞损耗(Ph)、涡(wo)流损耗(Pe)和(he)剩(sheng)余(yu)损耗(Pc)组成(cheng):

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对于软磁铁氧体(ti),文(wen)献(xian)[1]分(fen)别给出了正(zheng)弦波形激励(li)下PhPe,Pc 的计(ji)算(suan)模(mo)型(xing),但并不适合工程(cheng)(cheng)上的应用。在一个世(shi)纪以(yi)前(qian)Steinmetz 总结出(chu)一个实用于工程(cheng)(cheng)计(ji)算(suan)磁芯损耗的经验公式(shi):

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这(zhei)个公式表明单(dan)位体积的损耗Pv 是重复磁(ci)化频率(lv)和磁(ci)通密度的(de)指数(shu)(shu)(shu)函数(shu)(shu)(shu)。Cm ,α 和β 是经验参(can)(can)数(shu)(shu)(shu),两(liang)个指数(shu)(shu)(shu)都(dou)可以不(bu)为(wei)整数(shu)(shu)(shu),一(yi)般的(de)1<α<3 和 2<β<3。对于(yu)不(bu)同的(de)材质,生产厂家一(yi)般会(hui)给出(chu)其相应的(de)一(yi)套参(can)(can)数(shu)(shu)(shu),但(dan)公式和参(can)(can)数(shu)(shu)(shu)仅仅适用于(yu)正弦的(de)磁(ci)化情况(kuang),这是该经验公式应用于(yu)开(kai)关电源领域(yu)的(de)一(yi)个主要缺陷(xian)。

3.Steinmetz 经验公式的应用与调整

3.1 频率和温(wen)度(du)的影响

借助 Steinmetz 模型计(ji)算磁损在工程上(shang)的(de)应用(yong)十分(fen)广泛,然(ran)而该模型(xing)的(de)参数随频率变化,也就是说用(yong)来反映频率和(he)最大磁(ci)感(gan)应强度(du)与(yu)磁损关系的幂指(zhi)数α 和β 的拟合值在不同频率时是(shi)不同的,同时温度对(dui)磁(ci)芯损耗的影响(xiang)也很大。

图(tu)1给出了飞利浦公(gong)(gong)司的3F3 材料单位体(ti)(ti)(ti)积损(sun)耗和温(wen)度的关系。既然(ran)磁芯损(sun)耗随温(wen)度的变化而变化,那(nei)么(me)计算公(gong)(gong)式就应该考虑温(wen)度的影响。但(dan)式(shi)(2)中没(mei)有(you)明(ming)显体(ti)现(xian)温(wen)度影响的(de)参数。为此,一些产商(shang)在Steinmetz 经验(yan)公式(shi)的(de)基础上进行(xing)改进,把温(wen)度和(he)频(pin)率的(de)影响包括在一个更加通用的(de)公式(shi)中,比如下式(shi)就(jiu)是飞利浦公司(si)提出的(de)计算正弦波下的(de)单(dan)位体(ti)积的(de)磁芯损(sun)耗公式(shi)(W/m3)。

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其中:

式(3)中参数Cm、α、β 反映了(le)频率(lv)对磁(ci)芯损耗的(de)影响(xiang)。而(er)参数ct0、ct1、ct2,和T 体(ti)(ti)现了(le)温度的(de)影响(xiang),温度的(de)总体(ti)(ti)影响(xiang)用参数CT 来(lai)表示。表1 为飞利浦(pu)公(gong)司提供的材料的相(xiang)应(ying)(ying)参数。应(ying)(ying)用(yong)式(3)和(he)(4) ,Steinmetz 经验公(gong)式(2)可以用(yong)来计算正弦(xian)波(bo)励磁(ci)时,不同频率和(he)温度下磁(ci)芯材料的单位体积损耗。

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表1 飞利(li)浦公司(si)常用磁材(cai)料的单位体积损(sun)耗(W/m^3)的参数(shu)列表

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3.2 非正弦激磁的影响

前人试图通(tong)过(guo)对(dui)任意的(de)(de)(de)非正弦(xian)波进行傅(fu)立叶(ye)展(zhan)开,来克服Steinmetz 模型不(bu)(bu)能应用(yong)于(yu)非正弦(xian)激磁下的(de)(de)(de)磁芯(xin)损(sun)耗计(ji)算(suan)的(de)(de)(de)缺(que)陷,但叠加的(de)(de)(de)方(fang)(fang)法只适合线性系统,对(dui)与非线性的(de)(de)(de)磁材料而言(yan),用(yong)傅(fu)立叶(ye)展(zhan)开再(zai)叠加的(de)(de)(de)方(fang)(fang)法来计(ji)算(suan)磁芯(xin)损(sun)耗是不(bu)(bu)正确的(de)(de)(de)。

式(shi)(2)表达的Steinmetz 模型被证明是最有(you)用的计算磁(ci)芯损(sun)耗的工具,该公式(shi)只需要(yao)三个参(can)数(shu),而且生产厂家一般都(dou)提(ti)供这些(xie)参(can)数(shu)。对(dui)于正弦(xian)的磁(ci)通波(bo)形,用该式(shi)进行磁(ci)芯损(sun)耗计算可以(yi)得(de)到(dao)较高(gao)的精度和应(ying)用上的便(bian)利。因此(ci)值得(de)把该式(shi)扩展到(dao)非(fei)正弦(xian)的情况下(xia)。为(wei)此(ci)Reinert 提出(chu)了修正(zheng)的Steinmetz 经验公(gong)式来计算磁(ci)芯损(sun)耗[2]。已经得到证明的一个(ge)事实是:宏观的重复磁(ci)化(hua)速率和磁(ci)芯损(sun)耗有直(zhi)接关系。因(yin)此式(2)的(de)扩展任务主要就(jiu)是把式(2)中的(de)频(pin)率f 用(yong)物理上的(de)参(can)数dM/dt 来代(dai)替(ti),而dM/dt 是(shi)和磁通变化率dB/dt 相对应的(de)。

首先(xian),对磁通变化率(lv)dB/dt 在一(yi)个完整的(de)磁化周(zhou)期里(li)进行(xing)平均,得到下式(shi):

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其中△B=BmaxBmin,式(shi)(5)可变为:

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文献[3]指出,上式可以通过转(zhuan)化(hua)因子:2/△Bπ^2 得到一(yi)个(ge)等(deng)效的正弦重复磁(ci)化(hua)频率(lv)feq

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和(he)Steinmetz 经验公式相似(si),可(ke)以推出一个(ge)磁化周期的能量(liang)损耗表达式如下:

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如果(guo)磁(ci)化周(zhou)期为Tr=1/fr则(ze)单位体(ti)积的损耗为(W/m^3)可表示为:

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式(9)称为(wei)修正的Steinmetz 经(jing)验公(gong)式,该式可用于任意(yi)的非正弦磁化波形。注意(yi)的是公(gong)式中的参数Cm ,α 和β 要(yao)根据feq 来选(xuan)择。

3.3 直流偏置的影响

Brockmeyer[4-5]通过比较不(bu)同磁感应强度的(de)交(jiao)流分(fen)量BAC和直(zhi)流分(fen)量BDC作用下的(de)磁芯损耗(hao)发(fa)现,损耗(hao)随两个(ge)分(fen)量的(de)增加(jia)而(er)增加(jia)。同时(shi)发(fa)现只(zhi)有当反复(fu)磁化过程不会因(yin)为直流偏置而趋于饱(bao)和(he),并(bing)且当交(jiao)流磁感应量非(fei)常(chang)小时,直(zhi)流偏(pian)置对反复磁化(hua)造(zao)成的(de)(de)磁芯损耗(hao)的(de)(de)影响(xiang)才可忽略(lve)。考虑直(zhi)流偏(pian)置磁化(hua)的(de)(de)影响(xiang),Brockmeyer通过调整损(sun)耗参数Cm,得(de)到下述经(jing)验公式(shi):

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其中:

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其中:K1,K2 为常数(shu),用(yong)来表(biao)征磁性材料(liao)的直(zhi)流(liu)偏置特性,可通过不同频率和磁化状态(tai)下所测量的磁芯损耗拟合得到。

4.当前存在的问题和今后的工作展望

 

在(zai)(zai)前(qian)面的叙述中,指出了(le)磁(ci)芯(xin)损耗(hao)和温(wen)度(du)(du)密(mi)切相(xiang)关,并(bing)指出了(le)在(zai)(zai)不同温(wen)度(du)(du)下,磁(ci)芯(xin)损耗(hao)的计算方(fang)法(fa)。但在(zai)(zai)实际工(gong)作中磁(ci)芯(xin)的温(wen)度(du)(du)并(bing)不能(neng)(neng)事(shi)先知道,为了(le)准(zhun)确的计算磁(ci)芯(xin)损耗(hao),应该建(jian)立磁(ci)性(xing)(xing)元(yuan)件的热(re)模(mo)型(xing),把磁(ci)芯(xin)损耗(hao)计算方(fang)法(fa)和磁(ci)性(xing)(xing)元(yuan)件的热(re)模(mo)型(xing)结合起来,才能(neng)(neng)准(zhun)确地计算磁(ci)性(xing)(xing)元(yuan)件的损耗(hao)。

5.结束语

当前开关电源(yuan)正向(xiang)模块化(hua)、小型(xing)化(hua)方向(xiang)发展,对功率(lv)密度和(he)效率(lv)的(de)要求越来(lai)越高。磁性元(yuan)件作为开关电源(yuan)中的(de)关键元(yuan)件,对设备的(de)体(ti)积和(he)效率(lv)有很大的(de)影响。因此对磁性元(yuan)件损耗进行(xing)相关研(yan)究(jiu)是(shi)十分(fen)必要的(de)。

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2020年3月14日(ri) 08:39
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