高频磁性元器件损耗分析及电感温升电流测量装置的研究

论文摘要

磁性元器件是开关电源中的关键器件。提高开关工作频率，可以减小磁性元器件的体积，但是高频效应会导致磁性元器件的磁芯损耗和绕组损耗明显增加，降低整机的效率，因此高频工作条件下的磁性元器件的损耗分析十分重要。本文针对高频开关电源中的磁性元器件，分析了磁芯损耗与绕组损耗的来源与产生机理，分析了不同的高频激励波形对磁芯损耗的影响，并对磁芯损耗与绕组损耗进行了定量分析，总结了磁芯损耗和绕组损耗的计算模型，最后分析了高频磁性元器件损耗与温升的关系。电感的温升是电感发热的表现，电感的发热源于绕组的直流损耗、绕组的交流损耗以及磁芯的交流损耗。在DC-DC变换器中的很多应用场合，电感的工作电流是由较大的直流分量叠加较小的交流分量组成，这种应用场合中直流损耗占总损耗相当大的比例，因此直流损耗和交流损耗都是带直流大偏置电感损耗的重要部分。电感中的交流损耗与激励的波形、幅值以及频率的关系密切，计算复杂，因此可以用给电感加直流功率的方法衡量电感的温升与损耗的关系，在此基础上开发一套基于PIC单片机的电感温升电流测量装置。基于PIC单片机开发的电感温升电流测量装置可以解决工业中现有温升电流测量不方便、测量结果易受电路接线和仪器位置摆放等情况影响的缺点。该装置由直流可控恒流源、采样单元、显示单元、串行通信单元、环路反馈控制单元、电感测试平台等六部分组成，采样单元将采样的电流、温度以及电感两端电压送入单片机并进行处理，将检测的电感温升跟额定温升值比较并经过单片机内部的变步长算法得到温升电流的变化量，由环路反馈控制单元控制恒流源输出电流值发生相应的变化，最后使电感温升稳定在额定温升处，并读出此时的电流值即额定温升电流值。论文最后对实验数据进行处理和分析，分析了装置各采样单元的分辨率以及测量误差，并绘制了电感端电压、温升、温升电流随时间的测量曲线，电感温升随温升电流的变化曲线，电感温升与损耗的关系曲线，以及电感直流电阻随温升电流变化的曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现代电力电子技术概述与开关电源技术的发展现状
• 1.2 磁性元器件在开关电源中的作用和地位
• 1.3 本课题研究的意义和主要内容
• 1.3.1 高频磁性元器件损耗分析的意义
• 1.3.2 电感温升电流测量装置研究的意义
• 1.3.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 高频磁性元器件的损耗分析
• 2.1 高频磁性元器件损耗的来源
• 2.1.1 磁芯损耗产生的机理分析
• 2.1.1.1 磁滞损耗
• 2.1.1.2 涡流损耗
• 2.1.1.3 剩余损耗
• 2.1.2 绕组损耗产生的机理分析
• 2.1.2.1 集肤效应
• 2.1.2.2 邻近效应
• 2.2 高频磁性元器件损耗的定量分析
• 2.2.1 磁芯损耗的定量分析
• 2.2.1.1 正弦激励波形下的磁芯损耗分析
• 2.2.1.2 非正弦波激励下的磁芯损耗分析
• 2.2.2 绕组损耗的定量分析
• 2.2.2.1 Dowell 变换法绕组损耗计算模型
• 2.2.2.2 贝塞尔函数法绕组损耗计算模型
• 2.3 高频磁性元器件损耗与温升的关系
• 2.4 本章小结
• 第三章 电感温升电流测量装置的研究
• 3.1 电感温升电流测量装置的功能与硬件组成
• 3.2 电感温升电流测量装置的硬件设计
• 3.2.1 恒流源
• 3.2.2 采样单元
• 3.2.2.1 电流采样单元
• 3.2.2.2 电压采样单元
• 3.2.2.3 温度采样单元
• 3.2.3 显示单元
• 3.2.4 串行通信单元
• 3.2.5 环路反馈控制单元
• 3.2.6 电感测试平台
• 3.3 电感温升测量装置的软件设计
• 3.3.1 系统数据预处理—数字滤波
• 3.3.1.1 基本数字滤波方法
• 3.3.1.2 改进的滤波方法
• 3.3.2 系统控制算法设计
• 3.3.3 装置其余单元的软件设计
• 3.3.3.1 信号采样单元
• 3.3.3.2 显示单元
• 3.3.3.3 RS232 串行通信单元
• 3.4 本章小结
• 第四章 实验结果分析
• 4.1 系统各采样单元测量分辨率与误差分析
• 4.1.1 电流采样单元分析
• 4.1.2 电压采样单元分析
• 4.1.3 温度采样单元分析
• 4.2 系统测量数据及其分析
• 4.2.1 电感端电压、温升以及温升电流随时间测量的变化曲线
• 4.2.2 电感温升与温升电流的关系曲线
• 4.2.3 电感温升与损耗的关系曲线
• 4.2.4 电感绕组阻值随电流的变化曲线
• 4.3 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
• 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