感性器件磁滞特性Hspice宏模型建立与应用

论文摘要

在许多选频电路以及通讯设备中,感性元件在电路中起着重要的作用。通常,为满足电路设计要求选取带磁芯的感性元件。由于进行电路仿真时只能调用软件自带的理想感性元件,忽略了磁芯感性元件的磁滞特性,因此,造成仿真结果与实际相差很远而不能指导实际工作。于是,本文主要围绕建立仿真可调用的磁芯感性元件的宏观模型库为目标,以及相关验证等问题展开研究:建立磁芯电感数学模型的关键是磁芯磁滞曲线的数学描述。本文采用了由H.G.Brachtendorf、C.Eck、R.Laur提出的经验公式与Jiles-Atherton铁磁磁滞理论相结合的修改新数学模型,并将该模型转换为等效电路模型模拟磁滞特性,实验结果表明,该模型比Jiles-Atherton模型灵活,利于转换为宏观电路模型。然后,利用Synopsys公司的电路仿真软件Hspice实现磁芯电感宏观模型,完成了与整个磁滞数学模型相对应的电路系统的设计,为其它电路系统的设计,以及仿真结果更接近实际工作情况奠定了良好的技术基础。利用MATLAB的符号计算功能实现模型参数计算。本文在国内首次采取了最佳值逼近的方法成功实现了参数的优化,解决了最小二乘法等方法不能运行出磁化强度具体表达式的问题。同时,分析测试曲线得到的关键点值对材料参数计算、模拟曲线形状的影响,从而以分析结果反过来指导参数求解。最后,对不同磁芯的非线性性进行模拟,一般误差小于20%,以支撑实际电感模型库的建立,并验证所建磁芯电感宏模型。调用本文所建磁芯电感和相同电感量的理想电感进行LC滤波器仿真对比。仿真结果表明,调用磁芯电感模型的仿真曲线比调用理想电感的情况滞后、幅值小,反映了磁芯电感元件的电感量、磁滞效应和磁滞损耗都影响滤波器的时移、相移和幅频特性。总之,本文建立了一定数量的磁芯感性元件宏模型,提供了建立更多实际感性元件模型的设计方法和思路。最终通过参数调整,使得仿真结果更接近电路的实际工作情况,这对指导实际的电路设计工作具有重要意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 磁芯磁性材料非线性数学模型的研究现状
• 1.2.1.1 Preisach 类磁滞模型
• 1.2.1.2 神经网络磁滞模型
• 1.2.1.3 Jiles-Atherton 磁滞模型
• 1.2.1.4 改进磁滞模型
• 1.2.2 非线性磁芯的电路模型研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 磁滞宏模型的HSPICE 实现
• 2.1 铁磁物质磁化特性及改进磁滞数学模型
• 2.1.1 铁磁物质磁化特性的描述
• 2.1.2 改进的磁滞数学模型
• 2.2 改进的磁滞数学模型对应的电路系统设计
• an 计算的功能模块'>2.2.1 实现非磁滞磁化强度M_an计算的功能模块
• irr计算的功能模块'>2.2.2 实现不可逆磁化强度M_irr计算的功能模块
• 2.3 磁滞电路模型的HSPICE 实现和可调用的磁芯电感模型的建立
• 2.3.1 磁滞电路模型的Hspice 实现
• 2.3.2 可作为子电路调用的磁芯电感模型
• 第三章 磁滞电路宏模型的参数抽取及优化
• 3.1 求参方程组的搭建
• 3.1.1 微分方程的由来
• 3.1.2 Jiles-Atherton 模型参数的计算方程
• 3.1.3 改进磁滞数学模型参数的计算方程
• 3.2 求参方程组求解在MATLAB 中的实现
• 3.2.1 求解四个基本参数的MATLAB 程序
• 3.2.2 求解矫顽力和剩磁点处非磁滞磁化强度的MATLAB 程序
• 3.2.3 求解改进模型中另五个参数的MATLAB 程序
• 3.3 参数的优化
• 3.3.1 最小平方的优化方法
• 3.3.2 最佳值逼近的优化方法
• 第四章 磁滞特性HSPICE 模型的应用实例
• 4.1 磁性材料磁滞特性的测试与模拟
• 4.1.1 NiZn 系列的铁氧体材料
• 4.1.2 MnZn 系列的铁氧体材料
• 4.2 对PHILIPS 公司部分软铁磁材料磁滞回线的模拟
• 4.3 调用理想和本文所建磁芯电感的L-C 滤波器仿真对比
• 4.3.1 调用不同电感的三阶L-C 滤波器时域仿真
• 4.3.2 调用不同电感的三阶L-C 滤波器频域仿真
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 1
• 附录 2
• 附录 3
• 附录 4
• 附录 5
• 附录 6
• 附录 7
• 附录 8
• 攻读硕士学位期间的研究成果