开关变换器功率磁芯损耗模型的研究

摘要

高频化、小型化是开关变换器的主流发展趋势，提高开关变换器的开关频率是减少其体积的一个有效手段。但由于整机体积的限制，频率的升高导致开关变换器的热损耗问题便不容忽视，其中作为开关变换器中重要组成部分的磁性元件的损耗尤需重视。建立一个物理意义清晰的工程实用磁芯损耗模型，使其能够对工作在不同激磁条件下的功率磁损变化趋势进行准确的预估和计算，对于提高开关变换器性能和效率具有十分重要的意义。本文主要研究内容为：
　　本文首先介绍磁芯损耗的特性，详细分析了磁滞损耗、涡流损耗及剩余损耗产生的物理机理。实际工作中，开关变换器中的磁性元件两端承受的激励往往是非正弦激励，但厂商一般只提供正弦激励损耗数据，因此本文以正弦激励数据作为研究的切入点，建立磁芯损耗分离方程，可以分离出任意磁芯在正弦激励下的磁滞损耗Ph(sin)和涡流损耗Pe(sin)。提出了一种近似方法来减小电阻率对磁损模型精度的影响；引入磁芯面积系数kAe这一概念，预估不同截面积磁芯在正弦激励下的磁芯损耗，并利用实验数据和理论模型进行比较。
　　针对不同拓扑结构、不同控制方式，建立一种结合开关变换器实际工作特点的磁芯损耗模型。文中总结出开关变换器工作中磁性元件两端所承受的典型激励波形（方波、矩形波、对称死区方波），根据这些波形与正弦激励波形的数学关系推导出典型激励波形与正弦激励波形下磁芯损耗模型关系，预估这几种非正弦激励下的磁芯损耗。
　　精确测量磁芯损耗值是展开磁芯损耗模型研究的基础。本文最后比较了几种常见的磁损测量方法，采用了功率分析仪测量法，建立可以模拟开关变换器中磁芯实际工作状态的测量平台，同时找到了一种快捷方便的波形生成方法，利用内阻线性补偿法减少功率放大器内阻对测量精度的影响。主要以Ferrcube公司的铁氧体磁环TN32/19/13(3F3)和TX40/24/16(3C90)为例，比较预估的损耗功率密度与实测功率密度值，验证预估模型的正确性。

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第一章 绪论

1.1 磁性元件介绍

1.2 磁芯损耗研究方法的现状

1.3 本文的研究内容及意义

第二章 正弦激励磁损分离模型

2.1 磁芯损耗的物理机理

2.2 磁损的分离模型

2.3 实验验证

2.4 本章小结

第三章 开关变换器典型激励的磁芯损耗模型

3.1 开关变换器实际工作中磁芯的工作特点

3.2 开关变换器中典型激励波形

3.3 涡流损耗模型

3.4 磁滞损耗模型

3.5 典型波形激励的磁芯损耗定量计算方法

3.6 本章小结

第四章 实验验证与分析

4.1 实验装置的建立

4.2 实验结果分析

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢