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文檔簡介

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

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