開關變換器功率電感磁損建模及應用

周 巖，張俊波，陳麒米

（南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

在高頻開關變換器中磁性元件主要用作變壓器和功率電感。近年來，隨著開關變換器向小型化、高頻化的方向發展，對磁性元件中的磁芯損耗進行預估越來越受重視。功率磁性元件對開關變換器的性能和可靠性有著決定性的影響，不合理的磁性元件設計會引起磁芯的顯著溫升，進而引起開關變換器工作失效［1］。

開關頻率f、磁通密度變化量Bpp、占空比D、直流偏磁HDC、溫度T等都會對磁性元件的功率磁損產生直接的影響，這給磁芯損耗的建模帶來了困難。即使在Bpp相同的條件下，磁芯損耗也會受到直流偏磁HDC和激勵波形變化的顯著影響［2-20］。目前，工程中普遍采用基于實驗數據擬合的Steinmetz方程。經典的Steinmetz方程是通過3個系數擬合磁芯材料在正弦激勵條件下不同頻率和磁通密度時的損耗值，具有參數少、應用簡單的優點。由于開關變換器中磁性元件承受的激勵為占空比變化的矩形波，故許多學者提出采用如MSE、GSE、iGSE等Steinmetz方程修正模型來分析非正弦激勵條件下的磁芯損耗［2-8］。但由于Steinmetz修正方程修正模型中的擬合系數受到磁性材料、T、f、HDC和Bpp的顯著影響，故需要大量的測試數據才能得到特定工作條件下的損耗系數。另外，基于Steinmetz方程修正模型僅能得到相同磁通密度變化量Bpp條件下的矩形波損耗系數，而大多數功率磁芯中的Bpp是變化的。如果考慮到直流偏磁對磁芯損耗的影響，還需要進一步修正Steinmetz方程模型，變得過于復雜。……