Boost變換器磁芯損耗計算方法與流程
2023-07-07 00:43:06
本發明涉及一種boost變換器中磁芯損耗計算方法，尤其涉及的是不同佔空比條件下高頻鐵氧體磁芯的計算方法。
背景技術：
在高頻開關變換器中磁性元件主要作為變壓器和功率電感使用。功率磁性元件對於開關變換器的性能和可靠性有著決定性的影響，不合理的磁性元件設計會引起開關變換器工作失效。開關頻率f、磁通密度變化量bpp、佔空比d、直流偏磁hdc、溫度t等工作條件都會對磁性元件的功率磁損產生直接的影響，這對磁芯損耗的建模帶來了顯著困難。即使在bpp相同條件下，磁芯損耗也會受到直流偏磁hdc和激勵波形變化的顯著影響。
目前，工程中普遍採用基於實驗數據擬合的steinmetz方程。由於開關變換器中磁性元件承受的激勵是佔空比變化的矩形波，許多學者提出如mse、gse、igse等steinmetz方程修正模型分析非正弦激勵條件下磁芯損耗。由於steinmetz方程模型中的擬合係數受磁性材料、t、f、hdc和bpp影響顯著，需要大量的測試數據才能建立特定工作條件下的損耗係數。另外，steinmetz修正模型僅給出了相同磁通密度變化量條件下矩形波損耗係數，而大多功率磁芯中的bpp是變化的。如果考慮到直流偏磁對磁芯損耗的影響，還需要進一步修正steinmetz方程模型而變得過於複雜。
基於物理機理的磁芯損耗模型主要有jiles-atherton磁滯模型、preisach磁滯模型和bertotti磁芯損耗分離模型。磁損物理模型為結合開關變換器各類工況下的磁性元件損耗建模分析提供了理論基礎，但其主要缺點是模型中包含過多的材料參數，給實際應用帶來困難。
技術實現要素：
為了克服傳統磁損物理模型中材料係數過多的缺點，本發明提供一種boost變換器中磁芯損耗計算方法，利用磁性損耗分離法物理概念清晰的優勢，結合boost變換器工作特點，建立boost變換器功率電感在不同佔空比條件下的磁損模型。
本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：
本發明提供一種boost變換器磁芯損耗計算方法，在給定直流偏置、頻率和磁通密度變化量工作條件下，利用boost變換器在佔空比d＝0.5時的損耗數據預測不同佔空比時的磁芯損耗。具體如下：
步驟a、根據輸入電壓、輸出電壓確定磁芯工作的佔空比範圍，計算boost變換器在佔空比d＝0.5時的磁通密度變化量bpp；
步驟b、根據boost變換器在d＝0.5時所確定的頻率f、直流偏置idc和磁通密度變化量bpp，測試相同f、idc、bpp條件下的正弦激勵損耗數據，並分離正弦激勵損耗計算磁滯損耗分量和渦流損耗分量
步驟c、根據boost變換器的工作原理，計算不同佔空比條件下磁滯損耗和渦流損耗變化規律，進而得到求取boost變換器在不同佔空比下總的磁芯損耗。
作為本發明的進一步優化方案，步驟a中磁通密度變化量bpp為：
式中，vi代表輸入電壓，t代表溫度，n代表線圈匝數，ae代表磁芯截面積。
作為本發明的進一步優化方案，boost變換器的佔空比關係式為：
式中，vo代表輸出電壓，vi輸入電壓。
作為本發明的進一步優化方案，步驟c中boost變換器不同佔空比條件下的磁滯損耗為：
boost變換器不同佔空比條件下的渦流損耗為：
boost變換器在不同佔空比下總的磁芯損耗：
作為本發明的進一步優化方案，所述磁芯為鐵氧體軟磁磁芯。
本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
與經典的磁芯損耗物理技術模型相比，本發明提出的boost變換器中磁芯損耗計算方法避開了眾多與材料特性相關的待定係數，充分結合boost變換器電路工作特點，物理概念清晰，計算過程簡單，可有效預測boost變換器輸出電感中磁芯材料在不同佔空比條件下的損耗大小。
附圖說明
圖1是boost變換器的原理圖。
圖2是boost變換器佔空比變化時磁滯損耗變化曲線。
圖3是boost變換器佔空比變化時渦流損耗變化曲線。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
如圖1所示的boost變換器，工作在ccm模式，在q1導通期間電感正向激磁，磁通變化量為：
式中，vi代表輸入電壓，t代表溫度，n代表線圈匝數，ae代表磁芯截面積，d代表佔空比。
在q1截止期間電感反向退磁，磁通變化量為：
式中，vo代表輸出電壓。
boost變換器單位體積磁芯中的渦流損耗可表示為：
式中，re是磁芯等效電阻。
不同佔空比條件下渦流損耗與d＝0.5方波激勵渦流損耗的關係式為：
設d＝0.5時渦流損耗為1，不同佔空比條件下磁芯的渦流損耗變化趨勢如圖3所示。矩形波激勵磁滯損耗與d＝0.5方波激勵磁滯損耗的關係式為：
磁滯損耗與bpp之間成平方關係，而不同佔空比條件下bpp的變化規律如式(2)所示。設d＝0.5時磁滯損耗為1，磁滯損耗與d之間的變化趨勢如圖2所示。而相同bpp條件下的磁滯損耗在正弦激勵和方波激勵數值是相同的。
不同佔空比條件下boost變換器功率磁芯損耗為：
綜上所述，我們充分結合boost變換器的實際工作特點和磁芯材料損耗產生的磁滯損耗和渦流損耗物理實質，通過合理的簡化就可以方便的預測boost變換器在不同佔空比條件下的磁損大小。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內，因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。