[發(fā)明專利]一種對(duì)稱/不對(duì)稱矩形電壓激勵(lì)下磁芯高頻損耗計(jì)算方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010719098.1
• 申請(qǐng)日: 2020-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN111914413A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 三峽大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F30/367
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務(wù)所 42103
• 代理人: 吳思高

一種對(duì)稱/不對(duì)稱矩形電壓激勵(lì)下磁芯高頻損耗計(jì)算方法，根據(jù)對(duì)稱和不對(duì)稱矩形電壓激勵(lì)波形，推導(dǎo)出相應(yīng)的梯形和三角形磁通密度波形的上升支和下降支磁化速率表達(dá)式；采用Energetic靜態(tài)磁滯模型，計(jì)算薄帶狀軟磁材料的靜態(tài)磁滯回線以及磁滯損耗；根據(jù)上升支和下降支磁化速率表達(dá)式，推導(dǎo)出渦流損耗修正系數(shù)；根據(jù)磁化速率表達(dá)式，推導(dǎo)出剩余損耗修正系數(shù)；根據(jù)不同頻率、不同峰值磁密下薄帶狀磁鐵材料在一個(gè)磁化周期內(nèi)的正弦損耗密度，計(jì)算出動(dòng)態(tài)損耗參數(shù)。基于以上推導(dǎo)出的表達(dá)式，建立薄帶狀軟磁材料高頻損耗計(jì)算方法的計(jì)算流程。本發(fā)明可以用于精確計(jì)算全橋DC?DC變換器中高頻變壓器、Boost型DC?DC變換器中電感器的磁芯損耗，有效分離磁芯損耗的構(gòu)成成分。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高頻變壓器和電感器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)稱/不對(duì)稱矩形電壓激勵(lì)下磁芯高頻損耗計(jì)算方法。

背景技術(shù)

高頻化、高功率已成為當(dāng)前DC-DC變換器發(fā)展的趨勢(shì)。隨著工作頻率、功率的提高以及磁性元件體積的減小，磁芯損耗問(wèn)題逐漸明顯，降低了效率。因此，需要降低磁性元件的磁芯損耗，以提高DC-DC變換器的整體工作效率。目前，逆變器、開關(guān)電源中的小功率磁性元件大多選擇鐵氧體作為磁芯。鐵氧體電阻率高，高頻渦流損耗小，但是飽和磁密低，工作磁密一般小于0.2T，不適用于高功率應(yīng)用場(chǎng)合。納米晶合金、非晶合金等薄帶狀軟磁材料以其高飽和磁密、低高頻損耗等優(yōu)異的軟磁性能，逐漸被應(yīng)用于功能各異的高頻磁性元件的磁路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在不同的DC-DC功率變換器拓?fù)渲校哳l變壓器和電感器是兩類典型的磁性元件，工作電壓波形都是具有不同占空比的高頻矩形電壓。然而，在不同類型功率變換器中，薄帶狀軟磁材料的高頻損耗特性卻尚未完全明確，而該項(xiàng)研究對(duì)于薄帶狀軟磁材料磁芯的性能模擬以及磁性元件的精細(xì)化設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

現(xiàn)有磁芯損耗計(jì)算方法可以歸納為三類：①：基于物理現(xiàn)象的磁滯損耗模型；②：基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式法；③：基于鐵損可分離假設(shè)的損耗分離法。

基于物理現(xiàn)象的磁滯損耗模型可以將材料微觀物理量和外界磁場(chǎng)激勵(lì)下的宏觀磁化現(xiàn)象關(guān)聯(lián)起來(lái)，得到宏觀場(chǎng)量的控制方程，進(jìn)而得到磁芯損耗。鐵磁性材料的磁滯模型主要有Preisach、Jiles-Atherton和Energetic等，現(xiàn)有研究大多采用以上磁滯模型對(duì)電工鋼進(jìn)行磁滯建模。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式法的待定系數(shù)可以基于磁芯產(chǎn)品手冊(cè)中的正弦損耗特性曲線擬合得到，具有參數(shù)少、形式簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但僅適合于正弦波。為了使Steinmetz公式適用于非正弦激勵(lì)，衍生出了諸如MSE(Modified Steinmetzequation)、GSE(Generalized Steinmetz equation)等許多種修正公式。Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式法及其修正公式的缺點(diǎn)是依賴測(cè)試，對(duì)于特定型號(hào)磁性材料，需要制成特定尺寸的小磁環(huán)，測(cè)量得到不同頻率下的磁芯損耗密度，然后通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的方式得到待定系數(shù)，現(xiàn)階段通用的環(huán)形試樣測(cè)試方法制樣過(guò)程冗長(zhǎng)，且在實(shí)際中環(huán)形樣品與理想情況相差很遠(yuǎn)。此外，經(jīng)驗(yàn)公式法只能獲得磁芯的總損耗，缺乏明確的物理意義。基于鐵損可分離假設(shè)的損耗分離法是1988年由Bertotti根據(jù)損耗統(tǒng)計(jì)理論(Statistical Theory of Losses，STL)，對(duì)巴克豪生跳躍現(xiàn)象進(jìn)行描述后提出的，將總損耗分解為磁滯損耗和動(dòng)態(tài)損耗，動(dòng)態(tài)損耗又包括渦流損耗和剩余損耗。損耗分離法的優(yōu)勢(shì)在于物理概念清晰，適用于任意非正弦波，有利于工程師從本質(zhì)上掌握磁芯損耗產(chǎn)生的機(jī)理。損耗分離模型的待定系數(shù)需要借助磁性材料單片測(cè)試儀等設(shè)備對(duì)磁單片進(jìn)行多個(gè)頻點(diǎn)和磁密的損耗測(cè)試，從磁性材料總損耗中分離出各個(gè)損耗分量。例如，采用不同頻率、不同磁密下的損耗測(cè)量值，采用多元回歸分析擬合出了硅鋼片的磁滯、渦流和剩余損耗系數(shù)。針對(duì)雙向全橋DC-DC變換器中高頻變壓器、Boost型DC-DC變換器中電感器在不同占空比對(duì)稱/不對(duì)稱矩形電壓波磁化下的磁芯高頻損耗計(jì)算方法進(jìn)行研究，對(duì)于相關(guān)磁性元件的精細(xì)化設(shè)計(jì)有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容