[发明专利]一种磁芯损耗分离计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关变换器中磁芯损耗计算方法，尤其涉及的是高频铁氧体磁芯的磁滞损耗和涡流损耗大小的计算方法。

背景技术

对小型化的追求使人们对开关变换器的体积和效率提出越来越严格的要求，提高开关频率是减小开关变换器体积的基本方法之一，变压器、滤波电感和储能电容等元件的体积和重量都会随频率的提高而减小。磁性元件是开关变换器中最重要的器件之一，它们对整机的效率及体积有决定性的影响。因此需要在工程早期设计阶段预估不同的拓扑架构导致的磁芯损耗大概范围，合理进行变换器的热设计，可有效缩短开发周期并避免造成不必要的经济损失。

铁氧体材料以其高电阻率、低损耗广泛应用在高频磁性元件设计中。目前主要的磁损分析方法可分为三大类：Steinmetz方程及其改进方法、傅立叶级数分解计算方法和磁芯损耗分离法。

经验公式Steinmetz方程是磁芯损耗分析方法中最常见的，将所选用的磁芯实际体积与P_v相乘就可算出在一定频率和磁通密度变化量下的磁芯损耗。Steinmetz方程及其改进方法存在两个主要不足：一是只能适用于某种激励条件下的磁损估算，不具备普遍意义；二是对于不同的材质都需要测试出相对应的系数，这给工程界实际应用带来困难。

傅立叶级数分解法通过对任意的激励矩形波进行傅立叶级数分解为各次谐波分量，分别计算各谐波分量下的磁芯损耗，然后利用Steinmetz方程分别计算各次谐波所产生的磁芯损耗，最后将计算的结果累加得到总的磁求和得到铁芯总损耗。

这种方法存在两个主要的缺点：一是由于磁芯材料与频率之间的关系并非理想线形关系，在高频率条件下磁芯材料早已失去磁性；二是由于磁芯是一个非线性系统，而傅立叶分解之后再作累加则是将非线性系统作线性系统来处理，这本身引入了误差。

磁芯损耗分离理论根据磁性材料在交变磁场作用下产生损耗发热的机理不同，将磁芯材料的总损耗分解为各种成分损耗的叠加，计算模型可分为基于磁滞和涡流的2项损耗模型，以及基于磁滞、涡流和异常损耗的3项模型。不同的拓扑、不同的控制方式、在不同的占空比条件下高频变压器工作激励条件千差万别，其所导致的磁损模型也是完全不同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是利用磁性损耗分离法物理概念清晰的优势，建立磁损分离方程组分离任意工作点的磁滞损耗和涡流损耗。通过线性插值法求取不同频率处的电阻率，将剩余损耗的影响涵盖在涡流损耗的计算过程中。通过利用厂家提供的磁性材料损耗曲线，提出了一种无需依赖专业测试设备分离磁芯的磁滞损耗和涡流损耗（包含额外涡流损耗的影响）大小的工程实用计算方法，有利于从本质上掌握磁损产生成分的机理，可合理设计磁芯的工作区间。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种磁芯损耗分离计算方法，在给定磁通密度变化量工作条件下，利用任意2个工作频率点在正弦激励下的损耗数据构建磁损分离方程，分离出在该工作条件下的磁滞损耗和涡流损耗；具体如下：

步骤A、避开磁滞损耗与磁通密度变化量之间的非常量关系，建立磁滞损耗与频率之间的线性关系建立方程如下：

其中，磁滞损耗密度的关系式为：

Ph∝B^xf---(1)]]>

式中，P_h代表磁滞损耗功率损耗密度；B代表磁通密度，代表磁通密度的变化量，x代表在不同工作条件下磁滞损耗与磁场强度之间的指数关系；f代表工作频率；

涡流损耗密度的关系式为：