超高频矩形波激励下磁性元件磁心损耗模型
2021-03-09 09:40:36
来源：电子变压器与电感网
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功率变换器在电力电子中承担着高效电能转换的角色，而磁性元件是功率变换器中必不可少的器件。磁性元件的损耗约占到电路总损耗的30%，体积约占到总电路的20%，成为制约功率变换器向着高频化、小型化、平面化、集成化发展的重要因素[1-2]。随着GAN高电子迁移率晶体管的发展，功率变换器朝着超高频（MHz级）和高功率密度发展，磁心损耗的优化设计和热分析对于功率变换器效率和节能规范具有更为重要的意义。磁心损耗的研究包括测量方法和模型的建立，其测量方法是建立磁心损耗模型的基础和验证手段，磁性元件的精确损耗模型为磁性元件的发展提供理论依据，是优化磁性元件设计的基础[3]。
目前应用最为广泛的磁心损耗模型是C.P.Steinmetz提出的斯坦麦茨方程（SE）[4-5]，SE方程用于预测正弦波激励的磁心损耗时，简单且精度相对较高，但简单利用SE方程预测其他波形激励的磁心损耗将带来很大误差。因为磁心损耗受到频率、温度、材料、形状、激励的影响，计算及其复杂[6]，目前还无法用一个统一的模型预测不同激励的磁心损耗。文献[7]基于SE方程，引入一个等效频率得到修正的斯坦麦茨方程（MSE），可以用来预测任何波形激励下的磁心损耗。文献[8]针对不同占空比的矩形波激励对磁心损耗的影响，提出基于MSE加权平均法预测磁心损耗模型。此后又有学者提出基于SE方程下的GSE和iGSE等复杂模型[9-10]。
本文基于交流功率法测量磁心损耗测量原理，建立超高频正弦波激励的磁心损耗SE模型。分析电感电压上升沿和下降沿对磁心损耗的影响，基于本文建立的SE模型，建立超高频矩形波激励下磁性元件磁心损耗MSE模型。并利用全桥逆变电路产生PWM波激励源，验证考虑电感电压上升和下降时间的MSE模型精度。
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