ＬＴＤ能量传递效率的理论模拟

发布时间：

2023-08-28

ＬＴＤ能量传递效率的理论模拟

为了定量分析ＬＴＤ磁芯在工作过程中的能量损耗，本文针对工作脉宽约２００ｎｓ，工作电压４０～５０ｋＶ的ＬＴＤ单元模块中的一块磁芯，利用Ｐｓｐｉｃｅ软件的非线性磁芯模型对ＬＴＤ磁芯的工作过程进行了模拟，磁芯的结构参数和电气参数如表２所示。电路模拟时的输入参数为：输入脉冲由阻抗２．８Ω，脉宽约２００ｎｓ的脉冲形成网络（ＰＦＮ）产生，总电容量为０．１３６μＦ，充电电压为２０ｋＶ。考虑输入和输出连接段的电感，ＬＴＤ单元电路中的初、次级均引入外加电感３０ｎＨ。铁基纳米晶的饱和磁感应增量犅ｓ＝１．２５Ｔ，采用反向去磁方法，最大磁感应增量可达到２Ｔ左右。磁芯的叠片系数按犽ｔ取０．７，磁芯在整个脉冲段的相对脉冲磁导率按１０００考虑，带入磁芯的相关参数，求得磁芯的损耗电阻为２４．２Ω。

通过调节非线性磁芯的相关参数使磁芯的相对脉冲导磁率约为１０００，带入电路中进行仿真，图３给出了磁芯在脉冲工作时的输出波形和磁化曲线，从中可以看出磁芯工作区间从－０．７５６Ｔ到正向的０．７８５Ｔ，磁感应增量为１．５４１Ｔ，在磁芯的线性工作范围内，初级电压犞１为１７．４ｋＶ，初级电流犐１为８ｋＡ，负载上获得的电压幅值犞２为１７．２ｋＶ，电流幅值犐２为６．１５ｋＡ，脉冲宽度约为２１０ｎｓ，此外初级电压出现了过冲，次级电流出现了一定的顶降。通过次级电流与电压的积分可知，负载上获得的能量传递效率约为８１．６％，损耗为５Ｊ。

　通过分析可知，导致初次级电压差异的主要原因在于回路的漏感和回路的接线电阻，导致初次级电流出现差异的主要原因在于有一部分电流从磁芯损耗电阻和励磁电感上流走了。代入磁芯的相关数据可知，磁芯的励磁电感约２．４４μＨ，对应顶降带来的损耗为２．６８Ｊ。结合磁芯的相关数据可知，磁芯的涡流损耗电阻为２４．２Ω，涡流损耗为２．５７Ｊ，因此磁芯的总损耗为５．２５Ｊ，磁芯损耗占系统储能的１９．３％。如果不考虑其它开关、引线电阻的损耗，磁芯的能量传递效率为８０．７％。理论分析结果与非线性磁芯模型仿真结果基本一致。但需要说明的是和非线性磁芯模型，在考虑涡流损耗时，只是考虑了磁芯带材层内的涡流损耗，而没有考虑磁芯层间导通引起的涡流损耗。当层间出现导通时会形成较大的层间涡流回路，使得涡流损耗迅速增加。

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