直流偏磁及 PWM 波励磁下的磁芯损耗

发布时间：

2023-08-15

直流偏磁及 PWM 波励磁下的磁芯损耗

为了有效地评估和预测功率变换器中磁元件的磁芯损耗，将反映磁芯一个励磁周期内损耗的动态磁滞回线以椭圆回线等效，推导出了无直流偏磁工况下脉宽调制(pulse widthmodulation，PWM)波形励磁的磁芯损耗模型。采用差值损耗测量思想，以 DC/AC 逆变电路作为测试电路，测量了直流偏磁及 PWM 波励磁下的磁芯损耗。进一步根据直流偏磁下磁芯损耗的测量结果及其特征的分析，构思了以磁芯基本磁化曲线模型为基础的直流偏磁和 PWM 波励磁下的磁芯损耗模型。最后，对比了测试数据和所提出的模型的计算结果，验证了模型的正确性。

随着功率变换器向高频和高功率密度方向发展，磁元件损耗成为制约其发展的关键因素之一。磁芯损耗的测量方法和其模型的建立一直是业界和学术界很关注的问题，磁芯损耗测量是实验研究，它为磁芯损耗模型的建立提供基础和验证，模型的建立为磁芯损耗分析和磁元件设计提供理论基础。现有磁元件磁芯损耗的模型可以归纳为基于物理现象的磁芯损耗模型、基于实验数据拟合得到的经验模型以及基于磁场模拟的有限元仿真模型。

基于物理现象的磁芯损耗模型主要有Jiles-Atherton 磁滞模型和 Preisach 磁滞模型，这两种磁滞损耗模型的精度比较高，但由于其参数识别确认过程复杂，且计算量相当大，使得这类模型在实际应用中，特别在高频和复杂波形励磁下的应用比较少。

基于实验数据拟合而获得的经验模型在工程应用和研究中较为普遍，其中普遍被人们所采用的磁芯损耗模型是斯坦麦茨方程 SE，该模型是磁芯损耗模型中参数最少、形式最简单的模型，但是该模型只能用于正弦波励磁情况下，且参数随着频率和磁通密度的变化而变化，使得该模型在实际设计应用中的精度受到影响。为此，很多研究者在斯坦麦茨方程 SE 的基础上不断地改进，而衍生出了MSE、GSE、iGSE 以及 i 2 GSE 等修正模型。这些修正模型针对一定的应用场合，在一定程度上不断改善了磁芯损耗评估的精度，但它们都是在斯坦麦茨方程 SE 的基础上得到的，其参数会受频率和磁通密度影响的问题仍然存在，且这些模型精度的提高是以模型复杂化为代价的。

基于模拟磁场的有限元仿真模型，是将现有的某些模型经过修改后应用于有限元仿真软件，如常见的 Ansoft Maxwell 有限元仿真软件，就是将斯坦麦茨方程SE和Bertotti提出的分成三部分的磁芯损耗模型经过等效，修改成瞬态损耗模型后，应用于该软件中以计算磁元件的磁芯损耗，这类模型的一个主要特点是通过计算每个有限元的瞬态磁芯损耗而获得总的磁芯损耗，因此对内部磁场分布不均匀的磁元件磁芯损耗的计算具有一定意义。但是该模型还是基于现有某些模型基础上演变而来的，只是考虑了磁芯中磁密分布的不均匀性，因此其应用场合和精度同样受限。

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