CN108509687A - 一种Flyback变换器磁芯损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Flyback变换器磁芯损耗计算方法，在确定占空比D＝0.5时磁通密度变化量条件下，通过分析Flyback变换器电路的工作原理，建立磁滞损耗、涡流损耗与占空比之间的关系式，预测磁芯在Flyback变换器占空比改变时的磁芯损耗变化规律。本发明物理概念清晰，计算过程简单，可有效预测Flyback变换器输出电感中磁芯材料在不同占空比条件下的损耗大小。

Description

一种Flyback变换器磁芯损耗计算方法

技术领域

本发明涉及高频开关变换器磁性元件领域，尤其涉及一种Flyback变换器磁芯损耗计算方法。

背景技术

在高频开关变换器中磁性元件主要作为变压器和功率电感使用，功率磁性元件对于开关变换器的性能和可靠性有着决定性的影响，不合理的磁性元件设计会引起开关变换器工作失效。开关频率f、磁通密度变化量B_pp、占空比D、直流偏磁H_DC、温度T等工作条件都会对磁性元件的功率磁损产生直接的影响，这对磁芯损耗的建模带来了显著困难。即使在B_pp相同条件下，磁芯损耗也会受到直流偏磁H_DC和激励波形变化的显著影响。

目前，工程中普遍采用基于实验数据拟合的Steinmetz方程，由于开关变换器中磁性元件承受的激励是占空比变化的矩形波，许多学者提出如MSE、GSE、iGSE等Steinmetz方程修正模型分析非正弦激励条件下磁芯损耗。由于Steinmetz方程模型中的拟合系数受磁性材料、T、f、H_DC和B_pp影响显著，需要大量的测试数据才能建立特定工作条件下的损耗系数。另外，Steinmetz修正模型仅给出了相同磁通密度变化量条件下矩形波损耗系数，而大多功率磁芯中的B_pp是变化的。如果考虑到直流偏磁对磁芯损耗的影响，还需要进一步修正Steinmetz方程模型而变得过于复杂。

基于物理机理的磁芯损耗模型主要有Jiles-Atherton磁滞模型、Preisach磁滞模型和Bertotti磁芯损耗分离模型。磁损物理模型为结合开关变换器各类工况下的磁性元件损耗建模分析提供了理论基础，但其主要缺点是模型中包含过多的材料参数，给实际应用带来困难。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种Flyback变换器磁芯损耗计算方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种Flyback变换器磁芯损耗计算方法，包括步骤：

(1)根据输入电压、输出电压确定磁芯工作的占空比范围，计算Flyback变换器在占空比为0.5时的磁通密度变化量B_pp；

(2)根据Flyback变换器在D＝0.5时所确定的频率f、直流偏置I_dc和磁通密度变化量B_pp，测试相同条件下的正弦激励损耗数据，并分离正弦激励损耗，计算磁滞损耗分量和涡流损耗分量；

(3)根据Flyback变换器的工作原理，计算不同占空比条件下磁滞损耗和涡流损耗的变化规律，得到Flyback变换器在不同占空比下总的磁芯损耗。

进一步地，所述步骤(1)中，Flyback变换器占空比D为：

其中，V_I为输入电压，V_o为输出电压，N₁为初级线圈匝数，N₂为次级线圈匝数。

进一步地，所述步骤(1)中，Flyback变换器磁通密度变化量B_pp为：

其中，T_s为周期，V_o为输出电压，N₂为次级线圈匝数，A为磁芯截面积。

进一步地，所述步骤(3)中，Flyback变换器在不同占空比下的磁滞损耗为：

Flyback变换器在不同占空比下的涡流损耗为：

Flyback变换器在不同占空比下总的磁芯损耗为：

其中，为矩形波激励磁滞损耗，为矩形波激励涡流损耗。

进一步地，所述磁芯为铁氧体软磁磁芯。

有益效果：与经典的磁芯损耗物理技术模型相比，本发明的计算方法避开了众多与材料特性相关的待定系数，充分结合Flyback变换器电路工作特点，物理概念清晰，计算过程简单，可有效预测Flyback变换器输出电感中磁芯材料在不同占空比条件下的损耗大小。

附图说明

图1是Flyback变换器的原理图；

图2是Flyback变换器占空比变化时磁滞损耗变化曲线；

图3是Flyback变换器占空比变化时涡流损耗变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的Flyback变换器磁芯损耗计算方法，结合磁芯损耗产生的物理机理和Flyback变换器电路工作特征，利用磁性损耗分离法物理概念清晰的优势，建立Flyback变换器功率电感在不同占空比条件下的磁损模型。

本发明的方法，在给定直流偏置、频率和磁通密度变化量工作条件下，利用Flyback变换器在占空比D＝0.5时的损耗数据，预测不同占空比时的磁芯损耗。

具体步骤如下：

(1)根据输入电压、输出电压确定磁芯工作的占空比范围，计算Flyback变换器在占空比为0.5时的磁通密度变化量B_pp；

Flyback变换器的磁芯工作的占空比D范围为：

其中，V_I为输入电压，V_o为输出电压。

如图1所示，Flyback变换器，工作在CCM模式，磁通密度变化量B_pp为：

其中，T_s为周期，N₁为初级线圈匝数，N₂为次级线圈匝数，A为磁芯截面积。

(2)根据Flyback变换器在D＝0.5时所确定的频率f、直流偏置I_dc和磁通密度变化量B_pp，测试相同f、I_dc、B_pp条件下的正弦激励损耗数据，并分离正弦激励损耗，计算磁滞损耗分量和涡流损耗分量；

正弦波激励磁滞损耗与D＝0.5矩形波激励磁滞损耗的关系式为：

磁滞损耗与B_pp之间成平方关系，而不同占空比条件下B_pp的变化规律如式2所示。设D＝0.5时矩形波激励磁滞损耗为1，磁滞损耗与D之间的变化趋势如图2所示，可见磁滞损耗会随着占空比的增加而迅速减小，而相同B_pp条件下的磁滞损耗在正弦激励和矩形波激励下数值是相同的。

Flyback变换器单位体积磁芯中的涡流损耗可表示为：

其中，ρ＝1/R_e，R_e为磁芯等效电阻。

不同占空比条件下正弦波激励涡流损耗与D＝0.5矩形波激励涡流损耗的关系式为：

设D＝0.5时矩形波激励涡流损耗为1，不同占空比条件下磁芯的涡流损耗变化趋势如图3所示，正弦波激励涡流损耗和矩形波激励涡流损耗的比值为：

(3)根据Flyback变换器的工作原理，计算不同占空比条件下磁滞损耗和涡流损耗的变化规律，进而得到Flyback变换器在不同占空比下总的磁芯损耗。

磁芯为铁氧体软磁磁芯，Flyback变换器在不同占空比下的磁滞损耗为：

Flyback变换器在不同占空比下的涡流损耗为：

Flyback变换器在不同占空比下总的磁芯损耗为：

综上所述，我们充分结合Flyback变换器的实际工作特点和磁芯材料损耗产生的磁滞损耗和涡流损耗物理实质，通过合理的简化就可以方便的预测Flyback变换器在不同占空比条件下的磁损大小。

Claims (5)

1.一种Flyback变换器磁芯损耗计算方法，其特征在于：包括步骤：

(1)根据输入电压、输出电压确定磁芯工作的占空比范围，计算Flyback变换器在占空比为0.5时的磁通密度变化量B_pp；

(2)根据Flyback变换器在D＝0.5时所确定的频率f、直流偏置I_dc和磁通密度变化量B_pp，测试相同条件下的正弦激励损耗数据，并分离正弦激励损耗，计算磁滞损耗分量和涡流损耗分量；

(3)根据Flyback变换器的工作原理，计算不同占空比条件下磁滞损耗和涡流损耗的变化规律，得到Flyback变换器在不同占空比下总的磁芯损耗。

2.根据权利要求1所述的Flyback变换器磁芯损耗计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，Flyback变换器占空比D为：

其中，V_I为输入电压，V_o为输出电压，N₁为初级线圈匝数，N₂为次级线圈匝数。

3.根据权利要求2所述的Flyback变换器磁芯损耗计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，Flyback变换器磁通密度变化量B_pp为：

其中，T_s为周期，V_o为输出电压，N₂为次级线圈匝数，A为磁芯截面积。

4.根据权利要求3所述的Flyback变换器磁芯损耗计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中，Flyback变换器在不同占空比下的磁滞损耗为：

Flyback变换器在不同占空比下的涡流损耗为：

Flyback变换器在不同占空比下总的磁芯损耗为：

其中，为矩形波激励磁滞损耗，为矩形波激励涡流损耗。

5.根据权利要求1所述的Flyback变换器磁芯损耗计算方法，其特征在于：所述磁芯为铁氧体软磁磁芯。