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基本电感器模型的降压转换器电路
接线图
2024年10月25日 19:44 134
admin
图 2 显示了带有电感器的降压转换器应用。请注意，电感器的基本电路模型仅包括直流电阻和固定电感器值。直流电阻值将提供对电感器耗散的非常低的估计。有两种方法可以评估电感器的性能。从设计人员的角度来看，最方便的方法是运行LTspice 仿真，只需单击电感器组件即可查看仿真过程中的损耗。这就是我们可以对原理图中的所有其他组件执行的操作，并且它已成为除磁性元件之外的每个组件的标准。
评估电感器性能的另一种方法是使用组件制造商为转换器的工作点开发的定制工具。对于此处使用的电感器，已经收集了大量数据，这可以通过运行 Coilcraft DC-DC 优化程序 [1] 看到。图 3 显示了降压转换器不同工作点的数据图。左图适用于 200 kHz 操作，输入电压在 80 V 至 130 V 范围内变化。（10 A 时输出为 24 V）。
根据 Coilcraft DC-DC 优化器提供的数据，您可以从左图看到损耗如何随着输入电压的增加而增加。红色曲线显示直接从LTspice中的电路仿真预测的损耗。对于直流模型，预测损耗非常低，并且输入电压的变化很小。
在右侧图表中，输入电压固定为 130 V（最高耗散电压），频率在 100 kHz 至 300 kHz 之间变化。在低频下，损耗大幅增加。纹波电流更高，磁芯中的磁通偏移也更高。这在直观上并不明显，因为您经常会阅读声称磁损耗会随着频率而增加而不是减少的论文。
虽然可以通过 Coilcraft 的软件获得电感器损耗的数据，但这对于设计人员来说并不方便。想象一下，如果电路的每个组件都需要供应商提供定制程序来评估其损耗，那将是一件多么麻烦的事情。在半导体领域，除非零件具有相当准确的仿真模型，否则您无法出售该零件。这种期望尚未应用于磁学。造成这种情况的原因有很多，但其实没必要这样。
降压转换器电路中的高级电感器模型
交流电阻和磁芯损耗模型的所有参数都是借助 RidleyWorks 设计软件得出的[2]。本文稍后将对此进行描述。
图 4. 降压转换器原理图中的高级电感器模型。图片由博多电力系统提供 [PDF]
图 5. 相对于 Coilcraft DC-DC 优化器绘制的高级电感器模型损耗的 LTspice 仿真结果。图片由博多电力系统提供 [PDF]
绕组邻近损耗模型
需要两个元件来匹配电感器的总损耗。第一个是绕组损耗，它应该与频率相关。这是通过图 6 所示的电路图实现的，该电路由五个电感器和五个电阻器组成。RidleyWorks自动选择电路值以匹配所需的交流电阻特性。
在直流时，网络的所有电感器都短路，唯一剩下的电阻是 R dc。随着频率的增加，电感器的阻抗变得更高，从而依次增加网络的电阻。这种类型的电路首先在[4]中提出用于磁性绕组建模，并已被一些精选的研究人员使用多年。它是 RidleyWorks 生成的电路模型的基础。我们还没有看到磁性产品制造商对此有任何使用。
先进的磁芯损耗模型
提供准确的仿真数据所需的第二个要素是良好的磁芯损耗模型。您会在文献中发现许多解决磁芯损耗模拟问题的尝试，但没有一个成为主流。
图 7 显示了 RidleyWorks 为示例 Coilcraft 电感器导出的电路模型。这是一组由六个并联 RL 分支组成的组，由电感器两端的电压驱动。相关电压源用于对磁芯损耗随幅度的非线性指数进行建模，而 RL 分支则对适当的频率相关性进行建模。
该电路将提供所需的特性——电阻值随着频率的增加而减小，在最低频率下显示出最高的磁芯损耗。该模型的进一步解释将包含在本文的下一部分中。
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