開關(guān)電源中磁芯損耗的研究 |
磁性元件是開關(guān)電源設(shè)備中的重要元件,它對(duì)開關(guān)電源設(shè)備的體積、效率有很大影響。在高頻下,磁性元件損耗占整機(jī)的比重很大。因此對(duì)磁性元件的損耗進(jìn)行相關(guān)研究是十分重要的。 磁性元件是開關(guān)電源設(shè)備中的重要元件,它對(duì)開關(guān)電源設(shè)備的體積、效率有很大影響。在高頻下,磁性元件損耗占整機(jī)的比重很大。因此對(duì)磁性元件的損耗進(jìn)行相關(guān)研究是十分重要的。 磁芯損耗與磁性材料特性和工作頻率等密切相關(guān)。在交流磁化過程中,磁芯損耗功率(Pv)由磁滯損耗(Ph)、渦流損耗(Pe)和剩余損耗(Pc)組成。磁滯損耗(Ph)是磁性材料在磁化過程中,磁疇要克服磁疇壁的摩擦而損失的能量,這部分損失終使磁芯發(fā)熱而消耗掉。單位體積磁芯損耗的能量正比于磁滯回線包圍的面積。每磁化一個(gè)周期,就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量,所以可以得出:磁滯曲線面積越小,磁滯損耗就越小;頻率越高,損耗功率越大。渦流損耗(Pe)是因磁芯材料的電阻率不是無限大,有一定的電阻值,在高頻時(shí)還是會(huì)由于激磁磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生渦流而導(dǎo)致?lián)p耗。剩余損耗(Pc)是由于磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗。所謂弛豫是指在磁化或反磁化的過程中,磁化狀態(tài)并不是隨磁化強(qiáng)度的變化而立即變化到它的終狀態(tài),而是需要一個(gè)過程,這個(gè)‘時(shí)間效應(yīng)’便是引起剩余損耗的原因。本文對(duì)高頻下磁芯損耗的計(jì)算進(jìn)行了研討。 磁芯損耗的經(jīng)典計(jì)算方法 前面對(duì)磁芯損耗的構(gòu)成進(jìn)行了分析,磁芯損耗功率(Pv)由磁滯損耗(Ph)、渦流損耗(Pe)和剩余損耗(Pc)組成: 對(duì)于軟磁鐵氧體,文獻(xiàn)[1]分別給出了正弦波形激勵(lì)下Ph,Pe,Pc的計(jì)算模型,但并不適合工程上的應(yīng)用。在一個(gè)世紀(jì)以前Steinmetz總結(jié)出一個(gè)實(shí)用于工程計(jì)算磁芯損耗的經(jīng)驗(yàn)公式: 這個(gè)公式表明單位體積的損耗Pv是重復(fù)磁化頻率和磁通密度的指數(shù)函數(shù)。Cm ,α和β是經(jīng)驗(yàn)參數(shù),兩個(gè)指數(shù)都可以不為整數(shù),一般的1<α<3和 2<β<3。對(duì)于不同的材質(zhì),生產(chǎn)廠家一般會(huì)給出其相應(yīng)的一套參數(shù),但公式和參數(shù)僅僅適用于正弦的磁化情況,這是該經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域的一個(gè)主要缺陷。 Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用與調(diào)整 1頻率和溫度的影響 借助 Steinmetz模型計(jì)算磁損在工程上的應(yīng)用十分廣泛,然而該模型的參數(shù)隨頻率變化,也就是說用來反映頻率和大磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁損關(guān)系的冪指數(shù)α和β的擬合值在不同頻率時(shí)是不同的,同時(shí)溫度對(duì)磁芯損耗的影響也很大。 圖1給出了飛利浦公司的3F3材料單位體積損耗和溫度的關(guān)系。既然磁芯損耗隨溫度的變化而變化,那么計(jì)算公式就應(yīng)該考慮溫度的影響。但式(2)中沒有明顯體現(xiàn)溫度影響的參數(shù)。為此,一些產(chǎn)商在Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),把溫度和頻率的影響包括在一個(gè)更加通用的公式中,比如下式就是飛利浦公司提出的計(jì)算正弦波下的單位體積的磁芯損耗公式(W/m3)。 其中:式(3)中參數(shù)Cm、α、β反映了頻率對(duì)磁芯損耗的影響。而參數(shù)ct0、ct1、ct2,和T體現(xiàn)了溫度的影響,溫度的總體影響用參數(shù)CT來表示。表1為飛利浦公司提供的材料的相應(yīng)參數(shù)。應(yīng)用式(3)和(4) ,Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式(2)可以用來計(jì)算正弦波勵(lì)磁時(shí),不同頻率和溫度下磁芯材料的單位體積損耗。 表1某公司常用磁材料的單位體積損耗(W/m^3)的參數(shù)列表 2非正弦激磁的影響 前人試圖通過對(duì)任意的非正弦波進(jìn)行傅立葉展開,來克服Steinmetz模型不能應(yīng)用于非正弦激磁下的磁芯損耗計(jì)算的缺陷,但疊加的方法只適合線性系統(tǒng),對(duì)與非線性的磁材料而言,用傅立葉展開再疊加的方法來計(jì)算磁芯損耗是不正確的。 式(2)表達(dá)的Steinmetz模型被證明是有用的計(jì)算磁芯損耗的工具,該公式只需要三個(gè)參數(shù),而且生產(chǎn)廠家一般都提供這些參數(shù)。對(duì)于正弦的磁通波形,用該式進(jìn)行磁芯損耗計(jì)算可以得到較高的精度和應(yīng)用上的便利。因此值得把該式擴(kuò)展到非正弦的情況下。為此Reinert提出了修正的Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算磁芯損耗[2]。已經(jīng)得到證明的一個(gè)事實(shí)是:宏觀的重復(fù)磁化速率和磁芯損耗有直接關(guān)系。因此式(2)的擴(kuò)展任務(wù)主要就是把式(2)中的頻率f用物理上的參數(shù)dM/dt來代替,而dM/dt是和磁通變化率dB/dt相對(duì)應(yīng)的。 首先,對(duì)磁通變化率dB/dt在一個(gè)完整的磁化周期里進(jìn)行平均,得到下式: 其中△B=Bmax-Bmin,式(5)可變?yōu)椋?br /> 文獻(xiàn)[3]指出,上式可以通過轉(zhuǎn)化因子:2/△Bπ^2得到一個(gè)等效的正弦重復(fù)磁化頻率feq: 和Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式相似,可以推出一個(gè)磁化周期的能量損耗表達(dá)式如下: 如果磁化周期為Tr=1/fr,則單位體積的損耗為(W/m^3)可表示為: 式(9)稱為修正的Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式,該式可用于任意的非正弦磁化波形。注意的是公式中的參數(shù)Cm ,α和β要根據(jù)feq來選擇。 3 直流偏置的影響 Brockmeyer[4-5]通過比較不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的交流分量BAC和直流分量BDC作用下的磁芯損耗發(fā)現(xiàn),損耗隨兩個(gè)分量的增加而增加。同時(shí)發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)反復(fù)磁化過程不會(huì)因?yàn)橹绷髌枚呌陲柡停⑶耶?dāng)交流磁感應(yīng)量非常小時(shí),直流偏置對(duì)反復(fù)磁化造成的磁芯損耗的影響才可忽略??紤]直流偏置磁化的影響,Brockmeyer通過調(diào)整損耗參數(shù)Cm,得到下述經(jīng)驗(yàn)公式: 其中:K1,K2為常數(shù),用來表征磁性材料的直流偏置特性,可通過不同頻率和磁化狀態(tài)下所測(cè)量的磁芯損耗擬合得到。 當(dāng)前存在的問題和今后的工作展望 在前面的敘述中,指出了磁芯損耗和溫度密切相關(guān),并指出了在不同溫度下,磁芯損耗的計(jì)算方法。但在實(shí)際工作中磁芯的溫度并不能事先知道,為了準(zhǔn)確的計(jì)算磁芯損耗,應(yīng)該建立磁性元件的熱模型,把磁芯損耗計(jì)算方法和磁性元件的熱模型結(jié)合起來,才能準(zhǔn)確地計(jì)算磁性元件的損耗。 結(jié)束語 當(dāng)前開關(guān)電源正向模塊化、小型化方向發(fā)展,對(duì)功率密度和效率的要求越來越高。磁性元件作為開關(guān)電源中的關(guān)鍵元件,對(duì)設(shè)備的體積和效率有很大的影響。因此對(duì)磁性元件損耗進(jìn)行相關(guān)研究是十分必要的。
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| 發(fā)布時(shí)間:2017.05.10 來源:東莞電源工廠 |
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