电力电子高频功率磁元件永磁体预偏磁技术研究

论文摘要

随着功率变换器小型化、高频化、平面化趋势的不断发展，电功率密度越来越高，对磁元件的功率密度要求也越来越高。功率直流滤波电感作为功率变换器的重要磁元件，提高其载流能力是一个重要的发展方向。一方面可从磁性材料本身进行研究，开发具有高饱和磁密的磁性材料，但这受目前技术与生产的限制。另一方面则研究在现有磁性材料的基础上，利用永磁体引入反向预偏磁来抵消工作电流的偏磁，以提高直流滤波电感的载流能力或减小电感的体积、重量。本文利用烧结钕铁硼永磁体优越的永磁特性，研究其在直流滤波电感上的应用。本文首先调研了目前常用的各种永磁体，包括永磁铁氧体，AlNiCo永磁体，SmCo系永磁体，粘结型钕铁硼系永磁体和烧结型钕铁硼系永磁体等的永磁、退磁和温度特性，其中烧结型钕铁硼系永磁体由于其卓越的各项性能，很适合直流电感的预偏磁应用。但如何既能充分利用其优异的特性，又能克服其电导率高在电感高频交流磁通作用下涡流损耗大的问题，将为永磁体预偏磁技术在功率电感元件上的应用开辟新的研究思路。本文提出了一种采用烧结型钕铁硼永磁体施加反向预偏磁的方案及其磁路结构，并通过合理的磁路参数设计，使得电感线圈交流高频电流产生的交流激磁磁通基本不通过永磁体磁支路，而永磁体产生的预偏磁磁通又能经过激磁线圈所在磁路，从而可有效克服永磁体在高频磁通作用下产生涡流效应引起的损耗和发热退磁，以及永磁体被电路的冲击电流脉冲退磁的问题。烧结钕铁硼反向预偏磁技术的应用：1、可在保持电感量与载流量基本不变的前提下，减小磁芯的体积、重量，同时减小绕组的平均匝长，减小直流电阻及绕组直流损耗，提高磁性元件的功率密度；2、或只在少量增加磁芯体积、重量的情况下，提高磁性元件的功率密度，最大可提升一倍；3、当在平面电感中应用时，可以显著降低平面电感的高度，使磁性元件可做得更薄。本文通过磁路分析，电磁场仿真和磁路参数设计，针对功率电感，反激式变压器和平面化电感的应用，通过具体设计和制作样品测试以及电路运行实验等，验证了本文提出的钕铁硼永磁体预偏磁功率磁元件技术的理论正确性以及实际应用的有效性和可行性。永磁体反向预偏磁技术特别适用于采用铁氧体磁芯，高频工作及大电流功率的应用场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景介绍
• 1.2 含直流偏置的功率磁性元件研究现状
• 1.3 具有永磁体反向预偏磁的磁性元件优势所在
• 1.4 论文研究的意义及主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 电感器设计方法
• 2.1 磁性元件种类与基本设计方法简介
• 2.2 功率磁性元件设计对电路参数的要求
• 2.3 磁性元件的损耗
• 2.3.1 磁芯损耗
• 2.3.1.1 磁滞损耗
• 2.3.1.2 涡流损耗
• 2.3.1.3 剩余损耗
• 2.3.2 磁芯损耗综合公式
• 2.3.3 绕组损耗
• 2.3.3.1 直流损耗
• 2.3.3.2 交流损耗
• 2.4 磁性元件磁芯的饱和
• 2.5 磁性元件设计的综合考量
• 2.6 本章小结
• 第三章 永磁材料的磁特性
• 3.1 永磁材料的种类和磁特性
• 3.1.1 钕铁硼的磁特性
• 3.1.2 永磁材料稳定性
• 3.1.2.1 温度稳定性
• 3.1.2.2 时间稳定性
• 3.1.2.3 外磁场稳定性
• 3.1.2.4 化学稳定性
• 3.1.2.5 永磁体在功率变换器的应用要求
• 3.2 永磁体的退磁
• 3.3 本章小结
• 第四章 具有永磁体预偏磁的高频功率电感
• 4.1 永磁体预偏磁技术简介
• 4.2 Boost 功率变换器 CCM，DCM（B）工作模式
• 4.3 具有永磁体预偏磁的功率电感磁路分析
• 4.4 永磁体预偏磁 Boost 功率电感二维静磁场仿真
• 4.5 永磁体预偏磁 Boost 电感二维涡流场仿真
• 4.6 钕铁硼反向预偏磁 Boost 功率电感实验样品对比与测量
• 4.7 实际电路运行情况与钕铁硼温升测量
• 4.8 本章小结
• 第五章 钕铁硼反向预偏磁技术在反激式变压器中的应用研究
• 5.1 反激变换器工作模式
• 5.2 钕铁硼预偏磁反激变压器二维静磁场仿真
• 5.3 反激变压器二维涡流场仿真
• 5.4 钕铁硼反向预偏磁反激变压器样品测试
• 5.5 实际电路运行情况与钕铁硼温升测量
• 5.6 本章小结
• 第六章 钕铁硼反向预偏磁平面化超薄型电感技术研究
• 6.1 平面电感的优势
• 6.2 钕铁硼预偏磁平面电感二维静磁场仿真
• 6.3 钕铁硼预偏磁平面电感涡流场仿真
• 6.4 平面电感样品及实验测量
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录 1
• 附录 2
• 附录 3