電源適配器高頻變壓器磁損計算!

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電源適配器高頻變壓器磁損計算!

電源適配器廠家跟大家分享：電源適配器磁芯損耗的經(jīng)典計算方法
前面對磁芯損耗的構(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：

對于軟磁鐵氧體，文獻(xiàn)[1]分別給出了正弦波形激勵下Ph，Pe，Pc 的計算模型，但并不適合工程上的應(yīng)用。在一個世紀(jì)以前Steinmetz 總結(jié)出一個實用于工程計算磁芯損耗的經(jīng)驗公式：

這個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)驗參數(shù)，兩個指數(shù)都可以不為整數(shù)，一般的1<α<3 和 2<β<3。對于不同的材質(zhì)，生產(chǎn)廠家一般會給出其相應(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)驗公式應(yīng)用于電源適配器領(lǐng)域的一個主要缺陷。
三、Steinmetz 經(jīng)驗公式的應(yīng)用與調(diào)整
3.1 頻率和溫度的影響
借助 Steinmetz 模型計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較大磁感應(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是不同的，同時溫度對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更加通用的公式中，比如下式就是飛利浦公司提出的計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)驗公式(2)可以用來計算正弦波勵磁時，不同頻率和溫度下磁芯材料的單位體積損耗。

表1 飛利浦公司常用磁材料的單位體積損耗(W/m^3)的參數(shù)列表

3.2 非正弦激磁的影響
前人試圖通過對任意的非正弦波進(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算的缺陷，但疊加的方法只適合線性系統(tǒng)，對與非線性的磁材料而言，用傅立葉展開再疊加的方法來計算磁芯損耗是不正確的。
式(2)表達(dá)的Steinmetz 模型被證明是較有用的計算磁芯損耗的工具，該公式只需要三個參數(shù)，而且電源適配器生產(chǎn)廠家一般都提供這些參數(shù)。對于正弦的磁通波形，用該式進(jìn)行磁芯損耗計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)驗公式來計算磁芯損耗[2]。已經(jīng)得到證明的一個事實是：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 相對應(yīng)的。
首先，對磁通變化率dB/dt 在一個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 得到一個等效的正弦重復(fù)磁化頻率feq：
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和Steinmetz 經(jīng)驗公式相似，可以推出一個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：
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式(9)稱為修正的Steinmetz 經(jīng)驗公式，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。
3.3 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)，損耗隨兩個分量的增加而增加。同時發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)反復(fù)磁化過程不會因為直流偏置而趨于飽和，并且當(dāng)交流磁感應(yīng)量非常小時，直流偏置對反復(fù)磁化造成的磁芯損耗的影響才可忽略。考慮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)驗公式：
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其中：

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)下所測量的磁芯損耗擬合得到。
四、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，磁芯損耗的計算方法。但在實際工作中磁芯的溫度并不能事先知道，為了準(zhǔn)確的計算磁芯損耗，應(yīng)該建立磁性元件的熱模型，把磁芯損耗計算方法和磁性元件的熱模型結(jié)合起來，才能準(zhǔn)確地計算磁性元件的損耗。
五、結(jié)束語
當(dāng)前電源適配器正向模塊化、小型化方向發(fā)展，對功率密度和效率的要求越來越高。磁性元件作為電源適配器中的關(guān)鍵元件，對設(shè)備的體積和效率有很大的影響。因此對磁性元件損耗進(jìn)行相關(guān)研究是十分必要的。

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| 發(fā)布時間：2017.12.26 來源：電源適配器廠家

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