一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法技术

一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法，根据对称和不对称矩形电压激励波形，推导出相应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达式；采用Energetic静态磁滞模型，计算薄带状软磁材料的静态磁滞回线以及磁滞损耗；根据上升支和下降支磁化速率表达式，推导出涡流损耗修正系数；根据磁化速率表达式，推导出剩余损耗修正系数；根据不同频率、不同峰值磁密下薄带状磁铁材料在一个磁化周期内的正弦损耗密度，计算出动态损耗参数。基于以上推导出的表达式，建立薄带状软磁材料高频损耗计算方法的计算流程。本发明专利技术可以用于精确计算全桥DC‑DC变换器中高频变压器、Boost型DC‑DC变换器中电感器的磁芯损耗，有效分离磁芯损耗的构成成分。

【技术实现步骤摘要】
一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法
本专利技术属于高频变压器和电感器的设计领域，具体涉及一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法。
技术介绍
高频化、高功率已成为当前DC-DC变换器发展的趋势。随着工作频率、功率的提高以及磁性元件体积的减小，磁芯损耗问题逐渐明显，降低了效率。因此，需要降低磁性元件的磁芯损耗，以提高DC-DC变换器的整体工作效率。目前，逆变器、开关电源中的小功率磁性元件大多选择铁氧体作为磁芯。铁氧体电阻率高，高频涡流损耗小，但是饱和磁密低，工作磁密一般小于0.2T，不适用于高功率应用场合。纳米晶合金、非晶合金等薄带状软磁材料以其高饱和磁密、低高频损耗等优异的软磁性能，逐渐被应用于功能各异的高频磁性元件的磁路设计领域。在不同的DC-DC功率变换器拓扑中，高频变压器和电感器是两类典型的磁性元件，工作电压波形都是具有不同占空比的高频矩形电压。然而，在不同类型功率变换器中，薄带状软磁材料的高频损耗特性却尚未完全明确，而该项研究对于薄带状软磁材料磁芯的性能模拟以及磁性元件的精细化设计都至关重要。现有磁芯损耗计算方法可以归纳为三类：①：基于物理现象的磁滞损耗模型；②：基于实验数据拟合的Steinmetz经验公式法；③：基于铁损可分离假设的损耗分离法。基于物理现象的磁滞损耗模型可以将材料微观物理量和外界磁场激励下的宏观磁化现象关联起来，得到宏观场量的控制方程，进而得到磁芯损耗。铁磁性材料的磁滞模型主要有Preisach、Jiles-Atherton和Energetic等，现有研究大多采用以上磁滞模型对电工钢进行磁滞建模。基于实验数据拟合的Steinmetz经验公式法的待定系数可以基于磁芯产品手册中的正弦损耗特性曲线拟合得到，具有参数少、形式简便等优点，但仅适合于正弦波。为了使Steinmetz公式适用于非正弦激励，衍生出了诸如MSE(ModifiedSteinmetzequation)、GSE(GeneralizedSteinmetzequation)等许多种修正公式。Steinmetz经验公式法及其修正公式的缺点是依赖测试，对于特定型号磁性材料，需要制成特定尺寸的小磁环，测量得到不同频率下的磁芯损耗密度，然后通过数据拟合的方式得到待定系数，现阶段通用的环形试样测试方法制样过程冗长，且在实际中环形样品与理想情况相差很远。此外，经验公式法只能获得磁芯的总损耗，缺乏明确的物理意义。基于铁损可分离假设的损耗分离法是1988年由Bertotti根据损耗统计理论(StatisticalTheoryofLosses，STL)，对巴克豪生跳跃现象进行描述后提出的，将总损耗分解为磁滞损耗和动态损耗，动态损耗又包括涡流损耗和剩余损耗。损耗分离法的优势在于物理概念清晰，适用于任意非正弦波，有利于工程师从本质上掌握磁芯损耗产生的机理。损耗分离模型的待定系数需要借助磁性材料单片测试仪等设备对磁单片进行多个频点和磁密的损耗测试，从磁性材料总损耗中分离出各个损耗分量。例如，采用不同频率、不同磁密下的损耗测量值，采用多元回归分析拟合出了硅钢片的磁滞、涡流和剩余损耗系数。针对双向全桥DC-DC变换器中高频变压器、Boost型DC-DC变换器中电感器在不同占空比对称/不对称矩形电压波磁化下的磁芯高频损耗计算方法进行研究，对于相关磁性元件的精细化设计有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术提供一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法，针对双向全桥DC-DC变换器中高频变压器、Boost型DC-DC变换器中电感器在不同占空比对称/不对称矩形电压波磁化下的薄带状软磁材料磁芯高频损耗，由相关公式推导，得出关于高频损耗计算流程，该方法具备较高的准确性和实用性的优点，为相关磁性元件的精细化设计提供支持。本专利技术采取的技术方案为：一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法，包括以下步骤：步骤1：对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形是梯形波，分别推导出梯形波形上升支和下降支磁化速率表达式；不对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形是三角波形，分别推导出三角波形上升支和下降支磁化速率表达式。步骤2：采用Energetic静态磁滞模型，计算薄带状软磁材料的静态磁滞回线以及磁滞损耗Wh。步骤3：对于对称矩形电压激励情况，根据其对应的梯形波磁化速率表达式，推导出涡流损耗修正系数Fc(D1)，用于计算对称矩形电压激励波形下涡流损耗Pc_tra；对于不对称矩形电压激励情况，根据其对应的三角形波磁化速率表达式，推导出涡流损耗修正系数Fc(D2)，用于计算不对称矩形电压激励波形下涡流损耗Pc_tri；步骤4：对于对称矩形电压激励情况，根据其对应的梯形波磁化速率表达式，推导出剩余损耗修正系数Fe(D1)，用于计算对称矩形电压激励波形下剩余损耗Pe_tra；对于不对称矩形电压激励情况，根据其对应的三角形波磁化速率表达式，推导出剩余损耗修正系数Fe(D2)，用于计算不对称矩形电压激励波形下剩余损耗Pe_tri；步骤5：根据不同频率、不同峰值磁密下薄带状磁铁材料在一个磁化周期内的正弦损耗密度，计算出动态损耗参数V0和n0。通过上述步骤1-5，实现磁芯高频损耗的计算。所述步骤1中，①：对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形的上升支和下降支磁化速率表达式dB+/dt和dB-/dt如下：式中，T为对称矩形电压周期；D1为对称矩形电压的占空比；峰值磁密与电压幅值关系如下：式中，Vm为对称矩形电压幅值；Bm为第一峰值磁密；N为绕组的匝数；f为对称矩形电压频率；Ae为磁芯有效截面积；D1为对称矩形电压的占空比。②：不对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形的上升支和下降支磁化速率表达式dB+’/dt’和dB-’/dt’如下：式中，T’为不对称矩形电压周期；D2为不对称矩形电压的占空比。第二峰值磁密Bm’与不对称矩形电压幅值VH和VL关系如下：式中，高电平为VH，低电平为-VL；Bm’为第二峰值磁密；N为绕组的匝数；f’为不对称矩形电压频率；Ae为磁芯有效截面积；D2为不对称矩形电压的占空比。所述步骤2中，步骤2：采用Energetic静态磁滞模型，计算薄带状软磁材料的静态磁滞回线以及磁滞损耗Wh；Energetic静态磁滞模型具体形式是Hh(B)：Hh(B)＝Hd+sgn(m)Hr+sgn(m-m0)Hi三个磁场分量Hd、Hr、Hi的表达式如下：Hd＝NeMsm；静态磁滞回线的形状与磁化场的大小有关，与磁化的频率无关。静态磁滞回线的参数包括静态磁场强度Hh和磁通密度B，静态磁场强度的大小随着磁通密度的变化而变化，薄带状软磁材料的静态磁滞回线如图13所示。采用Energetic静态磁滞模型，求解出Hh之后，也就可以绘制出相应的静态磁滞回线，静态磁滞回线的面积等于静态磁滞损耗Wh：具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形是梯形波，分别推导出梯形波形上升支和下降支磁化速率表达式；/n不对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形是三角波形，分别推导出三角波形上升支和下降支磁化速率表达式；/n步骤2：采用Energetic静态磁滞模型，计算薄带状软磁材料的静态磁滞回线以及磁滞损耗W

【技术特征摘要】
1.一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形是梯形波，分别推导出梯形波形上升支和下降支磁化速率表达式；
不对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形是三角波形，分别推导出三角波形上升支和下降支磁化速率表达式；
步骤2：采用Energetic静态磁滞模型，计算薄带状软磁材料的静态磁滞回线以及磁滞损耗Wh；
步骤3：对于对称矩形电压激励情况，根据其对应的梯形波磁化速率表达式，推导出涡流损耗修正系数Fc(D1)，用于计算对称矩形电压激励波形下涡流损耗Pc_tra；
对于不对称矩形电压激励情况，根据其对应的三角形波磁化速率表达式，推导出涡流损耗修正系数Fc(D2)，用于计算不对称矩形电压激励波形下涡流损耗Pc_tri；
步骤4：对于对称矩形电压激励情况，根据其对应的梯形波磁化速率表达式，推导出剩余损耗修正系数Fe(D1)，用于计算对称矩形电压激励波形下剩余损耗Pe_tra；
对于不对称矩形电压激励情况，根据其对应的三角形波磁化速率表达式，推导出剩余损耗修正系数Fe(D2)，用于计算不对称矩形电压激励波形下剩余损耗Pe_tri；
步骤5：根据不同频率、不同峰值磁密下磁铁材料在一个磁化周期内的正弦损耗密度，计算出动态损耗参数；
通过上述步骤1-5，实现磁芯高频损耗的计算。


2.根据权利要求1所述一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法，其特征在于：所述步骤1中，
①：对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形的上升支和下降支磁化速率表达式dB+/dt和dB-/dt如下：



式中，T为对称矩形电压周期；D1为对称矩形电压的占空比；
峰值磁密与电压幅值关系如下：



式中，Vm为对称矩形电压幅值；Bm为第一峰值磁密；N为绕组的匝数；f为对称矩形电压频率；Ae为磁芯有效截面积；D1为对称矩形电压的占空比；
②：不对称矩形电压激励波形下，磁通密度波形的上升支和下降支磁化速率表达式dB+’/dt’和dB-’/dt’如下：



式中，T’为不对称矩形电压周期；D2为不对称矩形电压的占空比；
第二峰值磁密Bm’与不对称矩形电压幅值VH和VL关系如下：



式中，高电平为VH，低电平为-VL；Bm’为第二峰值磁密；N为绕组的匝数；f’为不对称矩形电压频率；Ae为磁芯有效截面积；D2为不对称矩形电压的占空比。


3.根据权利要求1所述一种对称/不对称矩形电压激励下磁芯高频损耗计算方法，其特征在于：所述步骤2中，
以B为自变量的静态磁场强度的表达式如下：
Hh(B)＝Hd+sgn(m)Hr+sgn(m-m0)Hi
式中，Hh为静态磁场强度；Hd为退磁场强度；Hr为可逆磁场强度，用于描述软磁材料的非线性特征；Hi为不可逆磁场强度，用于描述软磁材料的磁滞特性，m为相对磁化强度，等于磁化强度M与饱和磁化强度Ms之比，m＝M/Ms；在软磁材料中，磁感应强度近似满足表达式B＝μ0(H+M)≈μ0M，因此，m可以进一步表示为m＝B/(μ0Ms)；μ0为真空磁导率；
退磁场强度Hd的表达式如下：
Hd＝NeMsm
式中，Ne为退磁因子，Ne包含了与宏观几何结构相关的外退磁因子Nd和与晶界或其他不均匀性相关的内退磁因子Ni；Ms为饱和磁化强度；
可逆磁场强度Hr的表达式如下：
Hr＝h{[(1+m)1+m(1-m)1-m]g/2-1}
式中，h为与饱和磁场相关的比例常数；g为与材料各向异性相关的自适应常数；
不可逆磁场强度Hi的表达式如下：



式中，k为磁滞损耗系数，k＝μ0MsHa，Ha为矫顽力对应的磁场；cr为磁畴或晶粒的自适应几何尺寸；q为与钉扎密度相关的自适应常数；κ为翻转函数，表示总磁化状态对磁场反转点...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彬，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42