主要電感損耗計(jì)算方法.ppt

1、報(bào)告人：產(chǎn)品一部一課 封寧波,電感損耗的理論計(jì)算與驗(yàn)證,研究目的,UPS中主要功耗元件如晶體管、電感及變壓器的損耗計(jì)算在我們公司一直是一個(gè)難題。為了提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，有必要對(duì)元件的功耗提供一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的規(guī)范性計(jì)算方法。 目前電感損耗計(jì)算與驗(yàn)證部分已完成，借此機(jī)會(huì)和同事們交流探討，以使工作完成得更好?？紤]到我們公司90以上的電感都是采用Micrometal的磁芯，因此在試驗(yàn)中以Micrometal的磁芯做研究對(duì)象，對(duì)于其它公司的磁芯，其計(jì)算公式可能有異。,主要內(nèi)容,1、電感損耗的組成 2、PFC電感的計(jì)算方法 3、INV電感的計(jì)算方法 4、試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果,試驗(yàn)驗(yàn)證是由機(jī)構(gòu)課的張召及技術(shù)中心的楊弘兩

2、位同事采用量熱法完成，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果符合得比較好。,電感損耗的主要組成,電感損耗主要由磁芯損耗和線圈損耗組成，磁芯損耗包含磁滯損耗和渦流損耗。對(duì)于粉芯類磁芯，由于磁材料間絕緣阻抗很大，渦流損耗幾乎可以忽略。 磁滯損耗與頻率和交流磁通密度B有關(guān)，與其直流工作點(diǎn)磁通密度Bdc關(guān)系不大。Micrometal公司的鐵粉芯磁心損耗計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下： 其中a,b,c,d為Micrometal提供的磁芯損耗參數(shù)，其值依鐵心材質(zhì)而異。f為開關(guān)工作頻率，B（單位為Gauss）為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度的峰值，它是單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)磁通密度變化量的一半(B=2*B)。當(dāng)B值確定之后，電感的磁芯損耗也就確定了

3、。,（1）,線圈損耗 線圈的損耗是由電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的。通常，流過電感的電流包括工頻或直流成分的低頻電流和開關(guān)頻率的高頻電流。由于集膚效應(yīng)的存在，使得交流阻抗大于直流阻抗 。,在70時(shí)銅導(dǎo)線的集膚深度計(jì)算如下：,其中f為開關(guān)頻率，在19.2KHz時(shí)，其集膚深度為0.512mm。試驗(yàn)所用電感的繞線線徑最大約為2倍集膚深度，其交流阻抗為直流阻抗的1.05倍左右，因此在計(jì)算時(shí)忽略高頻紋波電流的影響。,Note：當(dāng)交流阻抗明顯大于直流阻抗、且最大紋波電流百分比大于20，需考慮交流阻抗帶來的影響。,（2）,PFC電感的損耗計(jì)算,磁芯損耗：,在一個(gè)工頻周期里，輸入電壓及控制脈寬均在變化，因此不同PWM周期

4、里B值及引起的磁滯損耗均在變化。此時(shí)可以用平均磁滯損耗來衡量，計(jì)算方法如下：,當(dāng)輸入電壓等于Bus電壓一半時(shí)，PFC電感交流磁通密度峰值達(dá)到最大值，其表達(dá)式如下：,（3）,PFC電感鐵損計(jì)算,（4）輸入電壓,（5）占空比,（6）交流磁通密度峰值,(4)(5)(6)(7),(7),PFC電感的鐵損計(jì)算,其中Ve為磁芯體積。將其按照PWM周期離散化再累加，即可得到工頻周期里的磁芯損耗?？紤]到PWM的頻率遠(yuǎn)大于市電頻率（19.2kHz50Hz），可以采用積分來代替離散求和。假設(shè)市電輸入正負(fù)半周對(duì)稱，電感的平均鐵損計(jì)算如下：,根據(jù)式(1)，電感鐵損的計(jì)算如下：,（8）,（9）,PFC電感的銅損計(jì)算,試

5、驗(yàn)所用電感的線徑在19.2KHz頻率下其交流阻抗約等于直流阻抗（1.05倍），因此不考慮電流紋波對(duì)銅損的影響，其計(jì)算公式如下：,（10）,（11）,Length為繞線長度，S為繞線半徑，為銅導(dǎo)線的電阻率，20攝氏度 1.678/m。通常電感工作時(shí)其溫度都大于20，因此對(duì)電感的電阻要做修正。,式中，為溫度系數(shù)， 0.00393/, t為期望的溫升。,（12）,INV電感的損耗計(jì)算,磁芯損耗：,在一個(gè)輸出周期里，輸出電壓及控制脈寬均在變化，因此不同PWM周期里B值及引起的磁滯損耗均在變化。此時(shí)可以用平均磁滯損耗來衡量，計(jì)算方法如下：,當(dāng)輸出電壓為0時(shí)，逆變電感交流磁通密度峰值達(dá)到最大值，其表達(dá)式如

6、下：,（13）,Num為串連的電感數(shù)，對(duì)于小型機(jī)，一般是兩個(gè)電感串連。,INV電感鐵損計(jì)算,（14）輸出電壓,(15）占空比,（16）交流磁通密度峰值,(17),(14)(15)(16),INV電感的鐵損計(jì)算,其中Ve為磁芯體積。采用積分來代替離散求和。假設(shè)輸出電壓正負(fù)半周對(duì)稱，INV電感的平均鐵損計(jì)算如下：,根據(jù)式(1)，電感鐵損的計(jì)算如下：,（18）,（19）,INV電感的銅損計(jì)算,銅損計(jì)算方法與PFC電感銅損計(jì)算方法相同，實(shí)際的交流阻抗與直流阻抗非常接近，因此忽略紋波電流帶來的影響。,（20）,（21）,Length為繞線長度，S為繞線半徑，為銅導(dǎo)線的電阻率，20攝氏度 1.678/m。

7、通常電感工作時(shí)其溫度都大于20，因此對(duì)電感的電阻要做修正。,式中，為溫度系數(shù)， 0.00393/, t為期望的溫升。,（22）,驗(yàn)證方法,試驗(yàn)采用量熱法測量實(shí)際損耗。其原理如下，在一個(gè)絕熱杯里加入液體，將被測物體放入液體中，蓋上杯蓋，保證絕熱。分別在t1和t2時(shí)刻用熱電偶絲測出液體溫度T1和T2。根據(jù)下式就可以求得發(fā)熱功率。,（23）,V為液體體積， Cp為比熱容， 為液體密度。 量熱法測量物體發(fā)熱量的方法和準(zhǔn)確度，具體可參考附件絕熱量熱法測量功率器件/模塊損耗。如有任何疑問，請(qǐng)聯(lián)系張召同事。,量熱法示意圖,驗(yàn)證過程示意圖,圖1：將電感用長導(dǎo)線引出，將溫升線及電感放入保溫瓶內(nèi)。,圖2：往保溫瓶內(nèi)灌入一定體積的液體，穩(wěn)定投載，測量液體的溫升。,驗(yàn)證結(jié)果（1）,PFC電感的測試與計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證結(jié)果（2）,INV電感的測試與計(jì)算結(jié)果,注：由于XP1K INV電感材質(zhì)參數(shù)未知，因此采用兩個(gè)35材質(zhì)的電感串連代替進(jìn)行試驗(yàn)的。,結(jié)論,試驗(yàn)測量的損耗與理論計(jì)算的損耗誤差在5%以內(nèi)，這說明該計(jì)算方法是可行的。 該計(jì)算方法的中心思想如下：在一個(gè)周期里根據(jù)占空比精確地求出磁芯的交流磁通密度峰值B(t)，然后根據(jù)式(1)求出對(duì)應(yīng)的磁芯損耗Pcore_loss(B(t)，然后再對(duì)其取平均值，從而可