電感參數:
磁芯:EE55,3C95,中柱3mm氣隙
繞組:0.1mm*800*1 膜包線,中柱8匝,單股線繞
電感量:30uH
拓撲為ANPC-9Level
相關波形計算如下,理想條件,理想波形
電感電壓
電感紋波電流
逆變相電壓
逆變線電壓
一,電感量計算
磁阻法計算電感量
1,中柱1段氣隙
2,中柱4段氣隙
3,中柱及邊柱均有氣隙
二,繞組損耗計算
采用平方場微分的方法,以中柱一段氣隙為例
繞組分布位置,繞一層,外部空間較大
電流激勵,采用仿真電感電流波形,包絡形狀與理想波形有較大差異,對應工頻成分有一些畸變,開關成分與計算結果還是很好吻合的。
繞組損耗計算值1.68W
三,Gecko仿真
磁芯尺寸
繞組參數設置,Litz圓線,0.1mm*800*1,每匝線總截面直徑4mm
激勵輸入,同樣以仿真電感電流波形作為輸入激勵
1,中柱1段氣隙
損耗結果,繞組高頻損耗是0
2,中柱4段氣隙
損耗結果,繞組高頻損耗是0
3,中柱及邊柱均有氣隙
損耗結果,繞組高頻損耗是0
從如上結果來看,逆變電感這類,工頻電流上疊加小紋波高頻電流的激勵,帶來的繞組損耗中是以工頻電流損耗為主要部分,高頻小紋波電流帶來的繞組損耗所占比例較小。這與實際使用中,當開關頻率在數十kHz等級,PFC/inverter電感多使用實心粗銅線/扁平線作為繞組是一致的。
如果開關頻率更高,比如達到上百kHz及以上,這時候小紋波電流帶來的繞組損耗所占比例對應提高,使用Litz線繞組對損耗的降低將是明顯的。
四,Maxwell靜磁場仿真
磁芯尺寸如下,以中柱一段氣隙為例,靜磁場僅支持線性磁芯材料。繞組為銅繞組,靜磁場不支持Litz材料
截面網格,設置氣隙表面網格尺寸0.3mm
繞組網格,設置繞組表面網格尺寸0.2mm
如上網格設置,靜磁場幾分鐘就迭代到1%誤差內,共3次迭代
電感量仿真值25.94uH
磁芯中磁感應強度矢量圖
五,Maxwell渦流場仿真
渦流場是正弦激勵,可設置正弦激勵的幅值及頻率,可得到電感量、磁芯損耗、繞組損耗等相關輸出量。渦流場支持Litz模型及非線性磁芯模型,這里做對應設置。
繞組渦流效應不勾選,因為選用了Litz繞組模型
磁芯損耗勾選
1,磁芯選擇PC95_100_BH,后綴BH是指實際BH曲線,非線性
渦流場比靜態場耗時稍長,不到5分鐘就收斂到1%誤差內,
設置了頻率掃描,50Hz~64kHz,共6個點,這樣結果可以曲線的形式輸出,橫軸為激勵頻率
在設置頻率范圍內,電感量隨頻率變化不大,26.01uH,與靜磁場結果基本一樣
LR矩陣參數電阻
磁芯損耗
繞組損耗,繞組損耗結果與預期不符 -- 這里得到不同頻率下繞組損耗是一樣的,而且StrandedLossAC為0
場圖結果,64kHz/0度,繞組截面電流密度分布
場圖結果,64kHz/0度,整個繞組電流密度分布
場圖結果,64kHz/0度,整個磁芯磁感應強度幅度分布,邊沿位置磁感應強度最大
2,磁芯選擇PC95_100,無后綴BH,是指線性材料
作為對比,將磁芯設置成線性材料,結果如下
在50Hz~64kHz頻率范圍內,電感量隨頻率變化仍然不大,電感量稍小一些,為25.88uH
LR矩陣參數電阻
磁芯損耗
繞組損耗結果同樣與預期不符 -- 這里得到不同頻率下繞組損耗是一樣的,而且StrandedLossAC為0
場圖結果,64kHz/0度,繞組截面電流密度分布,和非線性磁芯材料結果差異不大
場圖結果,64kHz/0度,整個繞組電流密度分布,與非線性磁芯結果無明顯差異
場圖結果,64kHz/0度,整個磁芯磁感應強度幅度分布,邊沿位置磁感應強度最大
六,Maxwell瞬態場仿真
電流激勵采用仿真數據導入的方式,注意修改數據單位
網格映射到靜磁場,不再重新剖分網格
這里選擇非線性的PC95_100_BH材料
仿真時間40ms,兩個工頻周期。初始設置每個開關周期20個點,1ms用時約1h45min,預估40ms共耗費70小時。實際上電感的工頻時間仿真速度并不慢,只是選擇非線性磁芯材料,比線性磁芯材料明顯變慢。
調整到每個開關周期8個點,40ms共耗時約30小時,產生73G數據,得到最終的瞬態結果。
輸入電流激勵
輸出電感電壓
磁芯損耗
繞組損耗,StrandedLossAC是繞組總損耗,StrandedLoss是直流電阻損耗,二者差值為繞組高頻損耗
上圖波峰處展開,StrandLossAC比StrandedLoss稍大一點點,說明繞組高頻損耗很小。
數據后處理,得到工頻周期平均損耗
磁芯損耗17.5mW
繞組總損耗1.49W
繞組直流電阻損耗1.44W,繞組高頻損耗50mW,此例可見繞組采用Litz線,電流激勵為工頻疊加高頻紋波時,繞組高頻損耗占比是很小的
場圖分布,如下為電流工頻波峰處場圖
整個磁芯,磁感應強度矢量
整個磁芯,磁場強度矢量
磁芯截面,磁感應強度矢量
磁芯截面,磁場強度矢量
磁感應強度幅度分布
繞組截面電流密度,每股線電流均勻分布。由于小紋波的緣故,高頻效應很小,這與繞高頻損耗占比很小是一致的。
繞組截面電流密度,電流工頻過0處,每股線電流仍是均勻分布而且幾乎是0。通常來講,正弦電流過零處,電流斜率最大,此刻繞組高頻效應是最大的(可見五中渦流場電流密度分布)。此例沒有這個現象,同樣是因為小紋波的緣故,高頻效應很小。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:一個多電平逆變電感損耗計算與仿真的例子
文章出處:【微信號:mcu168,微信公眾號:硬件攻城獅】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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