磁绕组邻近损耗预测

日期:2017-02-14

线性电路模型



作者:Ray Ridley
,Ridley Engineering
 
在这篇特别文章中,我们会看看APEC 2016上介绍的Ridley Engineering的磁性元件演示文稿。文章显示了线性电路模型如何可以在任何版本的Spice(或其他电路仿真器)中使用,以获得磁绕组交流邻近损耗电阻的精确结果。等效电路直接从绕组的物理结构获得,并由测量来支持。对于任何工程师,这个重要工作使Dowell方程容易使用。
 
电感电路模型
图1显示了针对高频电感的传统和相当简单的电路模型。此等效电路已使用了超过100年,以表征电感器的重要组成元件。
 

图1:传统电感等效模型
 
有相当一段时间,电源工程师一直使用简单的电路模型仿真其功率转换器电路。不幸的是,仿真缺乏现实的观察,特别是功耗区域。仿真的电感根本不具有相同温升,因为实际电感在电路中。这可能会导致意想不到的故障或大大缩短产品寿命。
这个问题在过去十年中变得更加夸张,因为许多现成的电感现在可供使用,而设计师用电感中的高纹波电流推到更高的频率。这是正在做的努力,为的是尽量减少电感的尺寸。不注意交流电阻可能是一个致命的错误。
 
更完整的电感电路模型
我们已经告诉设计工程师很多次,如果你想得到更好的电感器仿真结果,一个更复杂的电路模型是必要的。一般来说,我们认为磁模型对于能够有效处理它们的电路仿真器来说过于复杂。
在最近加利福尼亚长滩的APEC会议上,我们提出了我认为接近现实的仿真所需的最小复杂度模型。该电路如图2所示,即使是这个电路,在这篇文章中也有一些简化。
 

图2:需要捕捉电感重要行为的更复杂模型
 
相比在过去使用的标准电路模型,在该电路中有几个修改。首先,固定电感值被替换为2个离散和不同值——如果通过主电感的电流超过饱和水平,第二个和低得多的值被用来表示在磁芯饱和后留下了多少电感。在现实中,需要有一个伴随电流的连续可变电感值,但2个离散值可能对模拟许多可能随电感饱和发生的重要现象经常是足够的。
其次,磁芯损耗电阻通常只是一个固定值,用梯形R-L网络取代以代表磁芯损耗的频率依赖性。这个网络的电阻也需要随驱动磁芯的振幅进行调制,但这超出了本文的范围。频率依赖磁芯损耗模型推导的细节在[1]中给出。
很少有人使用这样的模型妥善仿真磁芯损耗——最通常只是分别计算来自电路波形和在每个周期中磁芯磁通摆动的磁芯损耗。这可以提供合理准确的磁芯耗散数,虽然计算通常很耗时。
对传统电感电路的第三大改造是包含了一个网络,以代表显示为邻近损耗的绕组电阻的频率依赖性性质。这被作为电路左侧的另一个梯形网络示出。
 
用接近电路增加的电感模型
在本文的其余部分,我们将重点放在电感的绕组损耗。很久以前发现,在高频率下电感器绕组的电阻可能远高于直流电阻值。
1966年,Dowell发表了他计算邻近损耗的著名方程,而这些都是图3中所示的部分。Dowell方程显示了交流电阻如何可以高于预期数十甚至数百倍,这是一个不敏感的影响[2]。尽管分析有深远的影响,大概不到1%的电源设计师曾经使用Dowell方程——对于要了解和在每日设计生活中使用的大多数人来说,它们简直太复杂了。
 

图3:有邻近损耗电路和接近方程的传统电感模型
 
当我们在APEC上提出了图2的复杂磁模型时,我希望人们点头说:是的,这是一个非常复杂的模型,甚至开始期待Spice能够有效处理。相反,有一个非常不同的反应。每个人都想知道是否邻近损耗电路模型可以由绕组的物理结构自动生成,或从测量本身。如果可以,那么大家可能受益于Dowell方程,而不必完全理解和直接实施它们。事实证明,这是完全可能的,这不是一个困难的任务。
 
预测和测量交流电阻
图4显示了一个有螺旋绕组的现成的电感。这种电感器适合有一个强交流元件,也有明显纹波电流的应用。对于这种结构,程序POWER 4-5-6 [3] 在从直流到100倍开关频率的多频率条件下,发现了Dowell方程的解。所得的交流电阻显示在图4中。

 
图4:预测和测量的螺旋缠绕电感的交流阻抗
 
你可以看到邻近分析的戏剧性效果。直流电阻仅为18毫欧姆,但在1 MHz,绕组电阻上升到9欧姆,增加了450倍!这并不意味着该电感器不是一个好的电感器,其主要功能是携带直流电流,谐波电流必须单独考虑,看看将有多严重的加热问题。
在你的设计中考虑Dowell方程至关重要。图4也显示了电感的交流阻抗测量,使用了AP300频率响应分析仪。这个电感器的测量和理论之间的相关性非常接近。
 
线性电路模型
图5显示了线性电路模型,可以用来合成伴随频率的交流电阻值的变化。选择了一个五步梯形网络来模拟交流电阻,精确到10 MHz,远远超出了电感电流谐波的范围。电路值也给出了。
 

图5:预测交流邻近损耗的最后线性电路模型
 
在低频率下,模型的电感阻抗是零,所以所有电流都流过直流电阻。随着频率的上升,电流被引导通过越来越高的电阻支路,有效地提高了交流电阻。
这个最后的线性电路可以用几种方式运行。如果是用交流电源驱动,可以产生交流阻抗的网络,这证实了测量和预测的交流电阻。其次,电感电流暂态波形可直接用一个电流源施加,来看看电流如何引导通过交流损耗网络。
最后,电感模型可以连接到开关电路的其余部分,来显示邻近损耗网络的完整效果。令人惊讶的是,这并未明显减缓LTSpice的电路仿真,合理的结果在几分钟内即可获得。
 
提升效能
在这篇文章中,介绍了如何用Dowell方程分析组绕组结构的结果,可以实现一个自动化的Spice电路模型,它可以用于交流和瞬态分析。这一结果将使Dowell方程的能力适用于任何电路设计师,用很少的额外工作大大提高了磁性元件的性能预测。
AP300分析仪也可用于从实际功率电感的测量直接自动产生等效电路模型。这对全球工程师的建模工作有着深远的影响。
 
参考文献
[1]   " [A19] Using Fractals to Model Eddy-Current Losses in Feretic Materials”, VatchéVorpérian  www.ridleyengineering.com/design-center.html
[2]   " [A33] Proximity Loss in Magnetics Windings”, Ray Ridley, www.ridleyengineering.com/design-center.html
[3]   POWER 4-5-6 design and simulation program for power supplies, http://www.ridleyengineering.com/software.html
[4]   Impedance measurements for magnetics, http://www.ridleyengineering.com/analyzer.html (Click on Applications Tab)
[5]   Join our LinkedIn group titled “Power Supply Design Center”. Noncommercial site with over 6200 helpful members with lots of theoretical and practical experience. www.linkedin.com/groups?&gid=4860717
[6]   See our videos on power supply and magnetics design at www.youtube.com/channel/UC4fShOOg9sg_SIaLAeVq19Q
[7]   Learn about proximity losses and magnetics design in our hands-on workshops for power supply design www.ridleyengineering.com/workshops.html
 
www.ridleyengineering.com
 
 

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