基于高频变压器纳米晶磁芯损耗分析与计算

来源:用户上传      作者:

　　摘  要：随着电子信息技术飞速发展，各类小型轻量化的电子设备的电源系统层出不穷，其固态变压器作为这类设备的代表性电气设备得到了高度的重视。而固态变压器的核心部件是高频变压器，它是设备体积和重量的主要占有者和发热源，主要用于能量（功率）的转换与传输。而磁芯损耗作为影响能量转换与传输效率的重要损耗之一，因此对于它的分析至关重要。文章研究了纳米晶磁性材料的损耗密度为500kHz和1特斯拉以上的损耗特性。测量并给出了在不同工作温度到150℃下材料的磁滞磁化曲线和损耗密度。并且运用一种新的磁芯损耗计算方法——流量波形系数Steinmetz方程。
　　关键词：高频变压器;纳米晶;磁芯损耗;流量波形系数Steinmetz方程
　　中图分类号：TM341        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）09-0016-02
　　Abstract： With the rapid development of electronic information technology， the power supply systems of all kinds of small lightweight electronic equipment emerge in endlessly. As the representative electrical equipment of this kind of equipment， its solid-state transformer has been highly valued. The core component of solid-state transformer is high-frequency transformer， which is the main occupant and heat source of the volume and weight of the equipment， and is mainly used for the conversion and transmission of energy （power）. As one of the important losses that affect the energy conversion and transmission efficiency， the core loss is very important for its analysis. In this paper， the loss characteristics of nanocrystalline magnetic materials with loss density of 500 kHz and more than 1 Tesla have been studied. The hysteresis magnetization curves and loss density of the materials at different operating temperatures up to 150 ℃ are measured and given. A new calculation method of core loss， Steinmetz equation of flow waveform coefficient， is used.
　　Keywords： high frequency transformer; nanocrystalline; core loss; flow waveform coefficient Steinmetz equation
　　引言
　　包括變压器和电感器在内的磁性元件实现电流隔离，谐波滤波，能量存储和功率级的参数匹配以及功率变换器中的控制电路的功能，它们通常决定着变换器的尺寸。长期以来一直认为，随着运行和开关频率的不断增加，随之而来的是磁性物理尺寸的不断减小。然而，设计困境可能伴随着频率的升高而增大。一方面，磁性元件的散热表面由于较高密度设计而降低;另一方面，铁芯和绕组损耗密度相应增加。由于整机体积的限制，不断提高开关频率而出现的散热问题便不容小觑[1]。因此，需要注意磁性材料选择和相关的磁芯损耗计算，特别是对于高频高密度磁性元件和功率变换器设计。文献[2]中建立了磁芯损耗模型进行研究分析。有对磁芯材料选择和磁芯损耗和电感进行了优化分析，着重介绍了变压器的电感在双电桥（DAB）转换器中起着至关重要的作用，从而确定功率传输，因此，论文研究了绕组结构的电感优化问题。有选用纳米晶作为磁芯材料进行高频变压器设计。从改进的Steinmetz公式入手，对PWM方波激励下铁氧体、非晶材料和纳米晶的铁芯损耗特性进行了比较分析，并基于三维表征给出了依据Steinmetz系数衡量高频损耗密度水平的方法。
　　适用于高密度设计的理想软磁材料应具有高饱和度密度，高渗透性，低损耗密度和高温度。实际上，在从可用的材料特性中选择时，必须进行妥协。对于频率高于100 kHz的应用，铁氧体磁芯传统上是独特的选择，因为它们的损耗密度较低。然而，具有高饱和流体密度的铁磁材料，如Fe和Co基非晶态金属和Ni-Fe合金（坡莫合金），对于高密度偏差要求的应用仍然很受欢迎。研究人员一直在寻找损耗较小的铁磁材料。1988年，吉泽等引入了一类新型的铁基合金，纳米晶体，具有优越的软磁性能。为了比较的目的，通过作者测量了一种类型的纳米晶体材料FT-3M的损耗密度，显然，即使与铁氧体相比，纳米晶磁性材料也具有相当低的损耗密度，而它们的饱和磁导率密度通常可以在1特斯拉以上。谐振和软开关方案通常用于基于Si功率器件的转换器的高频转换器操作，所以精确的磁芯损耗计算需要通过应用于磁性元件的谐振操作来考虑非正弦波形。以前的损耗计算方法（通常以PWM型波形为目标）不能直接应用于谐振操作。因此，考虑到谐振操作波形下的纳米晶体材料的损耗计算方法是需要的，以确保对高密度磁性设计至关重要的精确的磁芯损耗计算。 　　1 纳米晶磁芯材料特性
　　已知在纳米晶软磁材料中，典型晶粒尺寸为10-15nm的Fe-Si超晶粒是优良软磁性能的基础。了解材料微观结构不会自动导致可行且準确的物料损失计算。制造商提供的有限物料损失数据，特别是对于100kHz以上的频率，阻碍了纳米晶体材料对高频磁性的应用。在本文中，对于高达500kHz的频率和高于1特斯拉的流体密度，测量纳米晶体材料的磁芯损耗密度。分析计算也将有助于制定磁性设计所需的磁芯损耗模型。FT-3M被选为其中档典型特征和可用性。
　　1.1 材料损耗特性
　　高频材料特点主要是其材料的磁化曲线（曲线），如频率和温度的函数。回路不仅显示材料磁化过程，而且可定量地用于定量计算材料特性。在一定频率下，磁性材料的损耗密度可以表示为式（1）。
　　
　　（1）
　　1.2 磁化曲线
　　2 磁芯损耗计算
　　为了实现高功率密度设计，应该充分利用磁性元件进行散热。除了有效的散热设计外，准确的磁芯损耗计算以及绕组损耗计算至关重要。对于正弦波形，可以直接采用Steinmetz方程（2）。对于PWM变换器中最流行的方波形，则可以运用改进的Steinmetz方程，广义Steinmetz方程的扩展方法已被开发用于扩展到任意波形，通过将通量密度的变化率与原始频率相关联。然而，在高频应用中常常采用谐振转换器来降低开关损耗的情况下，施加到磁性元件的波形可能不是非正弦的，而是正方形。需要可覆盖谐振型波形和纳米晶体材料的磁芯计算方法。在本文中，我们建议通过考虑流型波形来修改原始值，以适应更复杂的谐振操作波形。应该指出的是，许多过去的工作也尝试对波形形状没有太大影响的磁芯静电损伤和动态涡流损耗进行分离，这可以通过求解考虑激励波形的麦克斯韦方程来获得。然而，这些方法需要大量的测量和参数提取，因此更难以用于实践设计人员。
　　3 结论
　　本文分析了纳米晶磁芯的损耗特性，并且推导运用一种新的磁芯损耗计算方法——流量波形系数Steinmetz方程。该方法可以根据详细的通量密度和电压波形来确定磁通波形系数。因此，使用数据表中的损耗密度值和某个任意形状波形的通量波形系数，我们可以计算出该波形下的磁芯损耗。本文所推导出的方法实质上是对原有方法的修改和扩展，具有一般性与可行性。
　　参考文献：
　　[1]孙爱鸣.开关变换器功率磁芯损耗模型的研究[D].南京邮电大学，2016.
　　[2]赵争菡.电力电子变压器中高频变压器磁芯和绕组特性的研究[D].天津：河北工业大学，2014.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14870550.htm