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电感器调查

日期:2017-02-14

使用spice测量磁绕组的接近损耗
作者:Ray Ridley, Ridley Engineering
 
在这里,我们将展示Spice如何可以用来提供磁绕组接近损耗结果。接近损耗方程是一组频率方程,而产生的仿真电路可预测正确的AC损耗,无论电流波形如何。
 
电感绕组AC电阻计算
图1显示了一个用于负载点应用的降压转换器。这些转换器被用在几乎每一个领域的电子产品,效率是一个重要的问题。利用在一个封装中提供的硅解决方案,设计师自由选择的影响效率的最重要的元件是输出电感。我们将在后面看到,电感的高频铜损耗可以占下降效率的2%。了解这种效应的建模和分析非常重要。
 

图1:负载点应用的样品降压转换器
 
 
众所周知的是,铜的电阻随着频率而增加。每一个电力电子工程师都听说过趋肤深度的概念,其中的导体表面有高频电流流过。然而,趋肤效应只是分析的开始。我们需要用更多的参与过程来考虑不是直的电线的多层绕组或导线的接近效应。
在过去20年的教学研讨会中,我们已经发现,少于1%的电源工程师在他们的设计中运用了接近效应计算。这是由于过程的复杂性。图2显示了降压转换器电路的电感绕组结构,连同Dowell的方程,用于计算随频率增加的电阻。从图中可以看到,电阻随频率迅速增加。在估计磁绕组损耗时,我们必须考虑这种结果。
 

图2:使用Dowell方程计算电感绕组结构的AC电阻
 
 
一个使用Dowell方程的解决方案不是一个容易的过程。幸运的是,POWER 4-5-6电源设计软件会自动给定绕组结构,易于所有工程师使用。你可以绘制一个本身不了解的绕组的AC电阻方程。
一旦你有了AC电阻,传统方法就可以观察到电流波形和提取开关频率谐波。将有一个DC项——基本频率等于纹波频率——然后是开关频率的奇次谐波。根据电流波形的形状,各次谐波的幅值会有所不同。
 
等效电路模型和spice网络
计算每个波形的谐波含量,并在每个谐波施加各种AC电阻,对于你的转换器的每个工作点是一个繁琐程序。另一种方法是生成一个绕组电阻增加的等效电路模型。然后你可以使用这个模型在Spice内产生复杂分析。
降压转换器电感的绕组由绕在铁氧体磁芯的5圈螺旋铜箔组成。图3显示了电感绕组的电路模型。一个串联的R-L元件模拟随频率增加的电阻。在DC,所有电感均被短路,电流只流经电阻Rdc。这与绕组dc的电阻相等。随着频率的上升,更多电流将通过ac电阻,增加了散热。
 

 
图3:AC电阻建模的电感电阻网络。POWER 4-5-6自动产生的电感绕组结构值。
 
 
图4显示了针对降压转换器集成了全Spice模型的接近损耗电路。注意,这里使用的控制芯片LTC3611是一个变频控制器。工作频率可以随线路和负载变化。然而,一旦你有了一个电路模型,频率的变化就会自动由接近损耗网络提供,在绕组中产生合适的损耗。
 

图4:包括接近损耗网络的Spice示意图
 
 
接近损耗的Spice仿真
图4所示的Spice电路运行时间为10毫秒,以确保所有波形处于稳定状态,初始启动波形引起的所有DC偏移均为零。令人惊讶的是,接近损耗网络的复杂性并没有对仿真时间影响很大。利用接近损耗网络,仿真10 ms操作的时间约为5分钟。没有这个网络,仿真时间约为3分钟。
图5显示了5 V输入操作的降压转换器的仿真电流。只有电流通过Rdc,显示为绿色,有DC偏移,这个电流等于电感电流。传统损耗是通过这个电阻的电流rms值乘以其Rdc值计算的。
 

图5:流过AC电阻5 V输入的仿真电流
 
 
图6显示了紧邻每个ac电阻的各自电流,其中明显有电流流动。
 

图6:紧接每个AC电阻的仿真电流
 
 
通过前三个AC电阻的纹波频率流动几乎没有衰减,如图中淡蓝色、红色、灰色波形所示。这些将有助于增加因接近出现的绕组附加损耗。由于电阻是高值,黄金波形也具有明显的幅度,而电阻Rac4提供了最大附加损耗。少量电流也流过了最后的ac电阻Rac5,没有对损耗有很大贡献。
电感绕组中的总损耗是184 mW,大大高于单独预测的69.8 mW DC电阻。虽然这些数字可能不太大,但这是一个低功率转换器,而100 mW的损耗对应效率下降为1%。因此,1.8%效率损耗是由于电感的绕组损耗,它是一个非常重要的数字。
图7显示了25 V高输入电压的仿真。现在电路中很多事情改变了——占空比变得更短,纹波电流更大,且频率被转移了。计算适当接近损耗的公式将是一个非常繁琐的过程。然而,Spice仿真考虑到了接近损耗网络的这些影响。你可以看到,通过Rac4和Rac5的电流有所增加,从而导致更高的功耗值。总损耗增加约70 mW,进一步降低了电路的效率。
 

图7:流过25 V输入的AC电阻的仿真电流
 
 
所有接近效应总共增加了电感绕组耗散近4倍。当在变压器绕组应用相同技术时,这个数字会更高,其中AC元件的电流要高得多。
 
使用Spice
Spice可能是磁性分析的有力工具。一个简单的接近损耗网络可以使Spice找到Dowell方程解决方案的任意电流波形。这让Dowell方程很容易为所有设计师使用,无论经验水平如何。
 
参考文献
[1]   POWER 4-5-6 design and simulation program for power supplies, http://www.ridleyengineering.com/software.html
 
[2]   Impedance measurements for magnetics, http://www.ridleyengineering.com/analyzer.html (Click on Applications Tab)
 
[3]   Join our LinkedIn group titled “Power Supply Design Center”. Noncommercial site with over 6500 helpful members with lots of theoretical and practical experience. www.linkedin.com/groups?&gid=4860717
 
[4]   See our videos on power supply and magnetics design at www.youtube.com/channel/UC4fShOOg9sg_SIaLAeVq19Q
 
[5]   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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