Buck变换器磁芯损耗计算方法技术

本发明专利技术公开了Buck变换器磁芯损耗计算方法：在确定占空比D=0.5时磁通密度变化量条件下，通过分析Buck变换器电路的工作原理，建立磁滞损耗、涡流损耗与占空比之间的关系式，预测磁芯在Buck变换器占空比改变时的磁芯损耗变化规律。本发明专利技术的优点是物理概念清晰，计算过程简单，可有效预测Buck变换器输出电感中磁芯材料在不同占空比条件下的损耗大小。

Calculation method for core loss of Buck converter

The invention discloses a Buck converter core loss calculation method: in determining the duty ratio of D=0.5 flux density variation conditions, through the analysis of working principle of Buck converter circuit, a hysteresis loss, eddy current loss and the relationship between the ratio of the total forecast, core in Buck converter duty ratio of core loss changes when the rules change. The invention has the advantages of clear physical concept and simple calculation process, and can effectively predict the loss size of the magnetic core material in the output inductance of the Buck converter under different duty cycle conditions.

【技术实现步骤摘要】
Buck变换器磁芯损耗计算方法
本专利技术涉及一种Buck变换器磁芯损耗计算方法，尤其涉及的是不同占空比条件下高频铁氧体磁芯的计算方法。
技术介绍
在高频开关变换器中磁性元件主要作为变压器和功率电感使用。功率磁性元件对于开关变换器的性能和可靠性有着决定性的影响，不合理的磁性元件设计会引起开关变换器工作失效。开关频率f、磁通密度变化量Bpp、占空比D、直流偏磁HDC、温度T等工作条件都会对磁性元件的功率磁损产生直接的影响，这对磁芯损耗的建模带来了显著困难。即使在Bpp相同条件下，磁芯损耗也会受到直流偏磁HDC和激励波形变化的显著影响。目前，工程中普遍采用基于实验数据拟合的Steinmetz方程。由于开关变换器中磁性元件承受的激励是占空比变化的矩形波，许多学者提出如MSE、GSE、iGSE等Steinmetz方程修正模型分析非正弦激励条件下磁芯损耗。由于Steinmetz方程模型中的拟合系数受磁性材料、T、f、HDC和Bpp影响显著，需要大量的测试数据才能建立特定工作条件下的损耗系数。另外，Steinmetz修正模型仅给出了相同磁通密度变化量条件下矩形波损耗系数，而大多功率磁芯中的Bpp是变化的。如果考虑到直流偏磁对磁芯损耗的影响，还需要进一步修正Steinmetz方程模型而变得过于复杂。基于物理机理的磁芯损耗模型主要有Jiles-Atherton磁滞模型、Preisach磁滞模型和Bertotti磁芯损耗分离模型。磁损物理模型为结合开关变换器各类工况下的磁性元件损耗建模分析提供了理论基础，但其主要缺点是模型中包含过多的材料参数，给实际应用带来困难。专利技术内容为了克服传统磁损物理模型中材料系数过多的缺点，本专利技术提供一种Buck变换器磁芯损耗计算方法，结合磁芯损耗产生的物理机理和Buck变换器电路工作特征，利用磁性损耗分离法物理概念清晰的优势，建立Buck变换器功率电感在不同占空比条件下的磁损模型。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种Buck变换器磁芯损耗计算方法，在给定直流偏置、频率和磁通密度变化量工作条件下，利用Buck变换器在占空比D＝0.5时的损耗数据预测不同占空比时的磁芯损耗。具体如下：步骤A、根据输入电压、输出电压确定磁芯工作的占空比范围，计算Buck变换器在占空比为0.5时的磁通密度变化量Bpp；步骤B、根据Buck变换器在D＝0.5时所确定的频率f、直流偏置Idc和磁通密度变化量Bpp，测试相同f、Idc、Bpp条件下的正弦激励损耗数据，并分离正弦激励损耗计算磁滞损耗分量和涡流损耗分量步骤C、根据Buck变换器的工作原理，计算不同占空比条件下磁滞损耗和涡流损耗的变化规律，进而得到Buck变换器在不同占空比下总的磁芯损耗。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤A中磁通密度变化量Bpp为：式中，VO代表输出电压，T代表温度，N代表线圈匝数，Ae代表磁芯截面积。作为本专利技术的进一步优化方案，Buck变换器的占空比关系式为：式中，VI代表输入电压。作为本专利技术的进一步优化方案，所述磁芯为铁氧体软磁磁芯。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤C中Buck变换器在不同占空比下的磁滞损耗为：Buck变换器在不同占空比下的涡流损耗为：Buck变换器在不同占空比下总的磁芯损耗为：本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：与经典的磁芯损耗物理技术模型相比，本专利技术提出的计算方法避开了众多与材料特性相关的待定系数，充分结合Buck变换器电路工作特点，物理概念清晰，计算过程简单，可有效预测Buck变换器输出电感中磁芯材料在不同占空比条件下的损耗大小。附图说明图1是Buck变换器的原理图。图2是Buck变换器占空比变化时磁滞损耗变化曲线。图3是Buck变换器占空比变化时涡流损耗变化曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示的Buck变换器，工作在CCM模式，在Q1导通期间电感正向激磁，磁通变化量为在Q1截止期间电感反向退磁，磁通变化量为Buck变换器单位体积磁芯中的涡流损耗可表示为：式中，Re是磁芯等效电阻。不同占空比条件下涡流损耗与D＝0.5方波激励涡流损耗的关系式为：设D＝0.5时涡流损耗为1，不同占空比条件下磁芯的涡流损耗变化趋势如图3所示。正弦波和矩形波激励涡流损耗密度的比值为：矩形波激励磁滞损耗与D＝0.5方波激励磁滞损耗的关系式为：磁滞损耗与Bpp之间成平方关系，而不同占空比条件下Bpp的变化规律如式(2)所示。设D＝0.5时磁滞损耗为1，磁滞损耗与D之间的变化趋势如图2所示。可见磁滞损耗会随着占空比的增加而迅速减小。而相同Bpp条件下的磁滞损耗在正弦激励和方波激励数值是相同的。不同占空比条件下Buck变换器功率磁芯损耗为：综上所述，我们充分结合Buck变换器的实际工作特点和磁芯材料损耗产生的磁滞损耗和涡流损耗物理实质，通过合理的简化就可以方便的预测Buck变换器在不同占空比条件下的磁损大小。以上所述，仅为本专利技术中的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本专利技术所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本专利技术的包含范围之内，因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
Buck变换器磁芯损耗计算方法，其特征在于：在给定直流偏置、频率和磁通密度变化量工作条件下，利用Buck变换器在占空比D＝0.5时的损耗数据预测不同占空比时的磁芯损耗；具体如下：步骤A、根据输入电压、输出电压确定磁芯工作的占空比范围，计算Buck变换器在占空比为0.5时的磁通密度变化量Bpp；步骤B、根据Buck变换器在D＝0.5时所确定的频率f、直流偏置Idc和磁通密度变化量Bpp，测试相同f、Idc、Bpp条件下的正弦激励损耗数据，并分离正弦激励损耗计算磁滞损耗分量

【技术特征摘要】
1.Buck变换器磁芯损耗计算方法，其特征在于：在给定直流偏置、频率和磁通密度变化量工作条件下，利用Buck变换器在占空比D＝0.5时的损耗数据预测不同占空比时的磁芯损耗；具体如下：步骤A、根据输入电压、输出电压确定磁芯工作的占空比范围，计算Buck变换器在占空比为0.5时的磁通密度变化量Bpp；步骤B、根据Buck变换器在D＝0.5时所确定的频率f、直流偏置Idc和磁通密度变化量Bpp，测试相同f、Idc、Bpp条件下的正弦激励损耗数据，并分离正弦激励损耗计算磁滞损耗分量和涡流损耗分量步骤C、根据Buck变换器的工作原理，计算不同占空比条件下磁滞损耗和涡流损耗的变化规律，进而得到Buck变换器在不同占空...

【专利技术属性】
技术研发人员：周岩，张宇飞，高宁，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32