铁氧体磁芯损耗模型

1、铁氧体磁芯损耗模型在功率变换器中所需的全部功率元件中，磁性材料仍然是最紧关捷要的元 件。它可能是最昂贵的，开发起来最耗时间，所以预先了解其特性是非常关键的。 预知其热产生机理及温升仍是一个令人沮丧的任务，了解磁材的电性能相比之下 要容易一些。这里有两个磁损耗的模式：绕组损耗及磁芯损耗。绕组损耗可以令人惊异地 合成，而且是在大学里正在进行的博士研究课题。研究论文在国际会议上发表。 我们开始写信给一些错综复杂的线圈损耗分析人员，并在未来送到开关电源杂 志。相比之下，磁芯损耗在多数应用中，则相对艰难地前进。我们确实可以用测 量所收集的数据来预测其性能。这些数据通常象所有这些可变量一样足够用来做 计算

2、。在此实践中，我们写信给进行这些表面上简单的任务的人士。建模任务是 看似经验的数据，用它为磁芯去做等效。它可能是相当难以理解的，但结果可能 非常有用，并可用于CAD设计程序。很多制造商都没有得到，并且距这个目标还 非常远。然而我们仍需要使用曲线得到我们所需要的结果。我们将用磁材置于我们的例子中。这些公司被选定，系因为它们更加勤奋地 致力于磁芯损耗的建模并提供结果。可在未来可根据结构以建起更先进的模型。磁芯损耗多数设计师是熟悉磁损耗的。早期的课程展示的磁材的B-H曲线中描述了磁 滞曲线。那是一种在磁芯励磁时偏移的输出。在分度EE过程后，经常包括这种 如同实验室中所展示的一样。图1展示出磁芯材料典

3、型的曲线。用它做电感或变压器，在一个DC/DC变换 器中，电感通常要直流偏置，因此运行时会相对小距离的离开工作点。而变压器 磁芯驱动会更强烈，它会接近饱和点，而且在工作的每个周期还要返回零点。在每个开关周期中要运行更大的磁通，就会有更大的磁芯损耗。而BH曲线 滞环的面积就决定了损耗，至少是每个周期的B的平方的函数。快速开关频率会有数倍的BH环向外摆出，当我们去重复这个曲线时，环路 越宽，我们走的越远。这个结果是比励磁频率的一次幕更大的结果。磁芯损耗的物理意义是极其复杂的。还没有一个人已做出容许我们从材料结 构及化学构造去预计出磁芯损耗。所有磁芯损耗数据都直接来自精确的实验。不 管它是旧传统用的

4、线路频率的硅钢还是近来从切棱制造的高频软磁铁氧体，它都 不简单。沃波的论文，在此SPM的假设中，展示出磁芯损耗的物理性质是不规则 碎片形，而且随后显示出人工分析结果。每次一种新材料造出后，它必须按精确标准的测试装置在实验台上测出。自 身测试是非常难以理解的，我们不去覆盖在这种条件下的测试规范，但我们能提 供一个关注词，自己测磁芯损耗不能推荐。需要收到可靠的结果的测试设备装置 是满冗长的，并且是很困难的。一个磁芯损耗数据的实例示于图2。它示出了从25KHz-1000KHz的多个数 据。纵坐标是磁芯损耗以mw/cm3为单位。横坐标则是特斯拉T。这些磁芯损耗曲线是正弦磁密励磁，在多数应用中，电压波形

5、是方波。结果 是三角波的电流励磁磁密。对50%的占空比，将正弦近似为一谐振作假设。对于 比这大或小的其它占空比，磁芯损耗会更高。在随后的SPM假设中用这个课题就 是理想的。磁芯损耗公式在传统的磁芯损耗公式中，展示如下：常数项标为K, X和Y。此处没有更多 数学分析去找寻这些系数。刚好是曲线配合这些经验数据。你可以从图2看到的 这些磁芯损耗特性，它们是直线，但两坐标都是对数值坐标的。这展示出Y系数 以及X系数是由两曲线之间的空间决定的。在越过频率的一个小范围内，这是工作在谐振状态。当然铁氧体用在非常宽 的工作范围以内。同样的材料其频率可以从20KHz到1MHz。如你看到的从图2 曲线中，在极端频

6、率下，线路不能互相并联，且预先指出的模型可能变得不再精 确。直到近来，材料公司用信号设置系数并根据该变换去建模磁芯损耗。从1992 年它们的数据手册才提供如下公式。Pcore=2.397 f*A这里f是KHz，B是特斯拉（注：我们改变了它们的公式，标准为KG去代替 标准单位特斯拉。这就是用它们的发表值去乘K（）*来得到的。图3示出测出的损耗（读数据点），将这个等式去和预置的损耗放在一起， 改变线路斜波带来的问题，在这个图形中再次出现。在这个图中，在低频下，预 置线是很浅的。在高频段，它们太陡峭。这个结果导致无意的错误，它在线的终 点处。更精确的模型对可靠的预言是必备的。用改变系数法去建曲线模型

7、在他们的2000年目录上，磁材公司改变了它们的建模方法。识别这单个等 式不必提供足够的精度，他们现在提供了对不同频率范围的三个设置的系数。这种改进在每个范围内都更精确了。它用一个dilemma提供给设计师。当然， 在每个范围的边界处，在和处得到了非常不同的结果，如同模型系数是开关式的。 这展示在图4中100KHz附近的频率处。用自适应公式建曲线模型需解决什么问题呢建模问题是一个连续可变的磁芯损耗等式，它随频率改 变。了解了数据建模方式，模型就能开始运作了。清楚损耗曲线作为磁通随频率 变化的函数。所以磁密的幕必须是频率的函数。而曲线应在更高频率时有一个跨 越。Ridley Nace磁芯损耗公式就

8、可用模和这些变化的参数得出：Ridley-Nace磁芯损耗公式Pcore=（aln f+b）fxAB（cf+d）频率的幕X根据监视得到的经验的频率的幕的平均值来选择。当频率幕指数 固定于这个模型时，注意频率现在出现在磁密项的幕指数中，这就容许模型去匹 配绕组气隙。它系在更高频率和本曲线之间，而不需取决于X常数的频率。频率的线性方程对磁密的幕，对监视表2展示的变化趋势是很好的补足。对 R材料，更完整的曲线适应不是必要的。对曲线适应恒定项对数函数要小心地选 择。多项式还能提供一个最精确的配合，但数字的提供是不稳定的，具有小的变 化系数会随输入系数产生大的改变。这个模型加给磁材R的数据。这个结果列在

9、Redley-Nace磁芯损耗公式中。 对R型磁材，有：Ridley-Nace磁芯损耗公式用于R磁材时，有Pcore=+*AB (-0.00076f+)图5示出使用这个唯一的自适应公式以给R型材料建模。结果是可以极好地跨越整个的工作频率范围。这个公式看上去很复杂，但产生它却是不太困难的。这些系数的实际设置仅 从12个磁芯损耗数据点在100C下就产生出来。这些是对6个不同频率用每个 频率下正好两个数据点得到的。磁芯损耗随温度的变化磁芯损耗的数据手册还提供了对温度变化的信息，磁芯损耗是一个温度的增 强函数，它是非常重要的，它还包括了这些效应，他们都在你的磁芯损耗预期之 中。不同的制造工艺提供磁芯损

10、耗的数据时采用不同的方法。其多数提供的损耗 数据恰好为两点25C及100C。磁材公司概览展示出一系列的曲线，其为在最 低温度下画出的最小损耗温度。然后第二条曲线，其展示出在不同温度条件下的 损耗变化。由此两曲线合成，你可以估计出在任何温度下的损耗。注意，这里仅 是围绕一个频率点100KHz处以及磁密水平之下的。曲线在不同的工作点将会改 变形状和数值，新的磁芯损耗公式还可以修改，结合温度变化曲线。这刚好是运 用曲线适应针对温度的经验数据。Ridley-Nace磁芯损耗公式对磁芯R材料随温度的变化Ridley-Nace磁芯损耗公式随温度的变化Pcore=+B(-0.00076f+g(T)此处 g(

11、T)、5、3、2 -、=T/100 这里 T 为C。对这个材料，第5次序多项式需要精确地匹配数据。这是完整的模型吗很不幸，这不是！这仅仅是在所提供数据的磁密及频率点 上精确的近似。总之，用这个公式去评估R材料的损耗，比你不顾及温度变化时 将会更精确。但它仅在100KHz频率及磁密是最好的。这是一个工作点，此处许 多电路都会设计在这点附近。温度变化曲线还是频率的函数，但这影响是微乎其 微的，或许没有必要去建模。进一步的数据需求广泛而准确的测试数据需从制造开始直到完整地建模，理想情况下，这包括 如下几点：励磁要从到(如果曲线是直接为对数-对数曲线图型，仅终点需要，但要 确认它们在做此假定之前它们是

12、直线，磁芯损耗线将覆盖上部更高的励 磁水平。)频率从20KHz1MHz (上面的范围取决于材料)温度从-40C210C重复，以25C为准。这就是上面四项，作为现存可供的更多的数据，但给出这个数据设置，以提 供单一公式来准确地描绘每种材料包括在各种工作范围内将是可能的。我们等待 着在未来某时刻看到这一点。测试数据精度现在，有意义的最后一句话。实例中的模型是有用的，标准的预估损耗的方 法，做到这一点是可能的。这是或更象是它将引导未来的工作用更好的数学方法 去充实数据。当然，我们在此处停止。为何因为在建立曲线和公式中，有一件事 变得非常地清晰一一制造商给出的数据（对磁芯）存在很多问题。我们从TDK Phlips及Siemens等磁材公司数据手册中了解到的。我们发现了大量的例子， 这些数据不能简单地去检测。有两个材料工作在极好的状态。即TDK的PC44,数据的一致性趋势展示于图 7。一些材料的曲线将独立在一倍的区域内，比如说25KHz50KHz或从 50100KHz。此后，曲线要再次分离。因为更多的数据直接画在对数-对数曲线图 中，所收集的非常小的数据点都是可能的。单一数据点