（电工理论与新技术专业论文）高频磁性元件铁芯损耗及特性的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h - f r e q u e n c ym a g n e t i cc o m p o n e n t sa r eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h e p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s i no r d e rt of u l l ye x p l o i tt h ef u n c t i o no fh i 曲- f r e q u e n c y m a g n e t i cc o m p o n e n t s ，m o r ek n o w l e d g ea b o u tt h el o s so fm a g n e t i cc o m p o n e n t sm u s t b eg a i n e dt h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so ns o m eb a s i cp r o b l e m so ft h ec o r el o s so f h i g h - f r e q u e n c ym a g n e t i cc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gf o l l o w i n ga s p e c t s ： t h ep a p e rd i s c u s s e st h em e a s u r e m e n ta n dc o m p u t a t i o nm e t h o d so ft h ec o r el o s s o fh i g h f r e q u e n c ym a g n e t i cc o m p o n e n t s ，a n dc o n t r a c t st h e s em e t h o d s s u p e r i o r i t y , l i m i t a t i o na n dt h e i ra p p l i c a t i o nf i e l d s t h ep a p e rg o e sd e e pi n t ot h ei n f l u e n c eo f p o w e rf e r r i t ew i t hd cb i a s ，o nt h eb a s e o ft h ee f f e c t i v em e a s u r e m e n to fp o w e rf e r r i t ec o r el o s sw i t hd cb i a sa n ds i n e w a v e e x c i t i n g ar a t i on a m e dk i si n t r o d u c e d , d e f i n e da st h er a t i oo fc o r el o s so fs i n u s o i d a l w a v f o r me x c i t a t i o nw i t hd cb i a st ot h a to fw i t h o u td cb i a s ，s u p p o s e dt h a tb o t hu n d e r t h es a m ef r e q u e n c ya n df l u xd e n s i t y af o r m u l at oc a l c u l a t ep d ci sg i v e ni n t h i s d i s s e r t a t i o n i nt h ee n d ，s o m ee f f e c t i v em e t h o d sa r ed e v e l o p e dt h a ti m p r o v et h ed cs u p e r p o s e c h a r a c t e ro fh i g h - f r e q u e n c ym a g n e t i cc o m p o n e n t s a t t e n t i o ni sc o n c e n t r a t e do nt h e d cp r e m a g n e t i z a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d ：h i g h f r e q u e n c ym a g n e t i cc o m p o n e n t ，c o r el o s s ，d cb i a s e f f e c t i v ep e r m e a b i l i t y 2 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：耳日期蝉 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：茸导师签名：纽日期：二蝉 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 现代电力电子技术的发展与高频磁技术的发展： 高频磁技术是现代电力电子技术中的重要内容。高频磁性元件是所有电力 电子装置中必不可少的关键器件，它担负着磁能的传递、储存以及滤波等功能， 其体积和重量一般占到整个电路的2 0 3 0 ，损耗占总损耗的3 0 左右。要降低 电力电子装置的体积和重量，必须首先降低电子装置中磁性元件的体积和重量。 而且，磁性元件的各个参数对电路的性能影响很大。随着开关频率的提高、软 开关技术的应用以及功率变换其功率密度的提高，磁性元件的重要性越来越大， 其分析和优化设计也越来越引起人们的重视。 相对于现代电力电子技术的发展，高频磁技术的发展尚处起步阶段，这在 一定程度上成为了现代电力电子技术发展的一个制约因素。在磁性元件的分析、 设计以及应用中，铁芯损耗是一个重要的设计指标。对于磁性元件设计者来说， 一般采用铁芯生产厂家提供的铁芯损耗数据和图表来计算或读取铁芯在不同频 率和不同磁感应强度下的单位体积或单位重量损耗值。但是，厂家提供的铁芯 损耗数据一般是对标准环形铁芯在正弦电篮激励下得到的，而在实际设计中， 大部分情况是非正弦的激励波形。而且，铁芯的形状也常常不是采用环形，这 样，厂家提供的数据就无法提供正确的损耗值。另外，铁芯的形状和尺寸的大 小对损耗也有较大影响，不能简单地采用铁芯单位体积损耗数据来计算铁芯总 损耗，而且铁芯损耗参数的离散性也很大。因此，有必要对高频磁性元件铁芯 损耗进行深入的研究。 1 2 国内外发展概况： 1 2 1 磁性材料的发展： 磁性材料的发展是随着电力电子器件工作频率的提高而发展起来的。早期 上海大学硕士学位论文 的电力电子器件以晶闸管为代表，通常工作在低频的状态下，这个时期的磁性 材料中的主要材料是低碳钢。随着功率晶体管、功率场效应管等新型功率器件 的出现，电力电子器件不断向着高频化、小型化的方向发展，工作频率越来越 高，高频磁性材料也应运而生，出现了铁氧体材料和粉芯材料。并且，随着工 作频率的继续提高，出现了其他新型高频磁性材料如非晶及纳米晶软磁合 金1 1 2 1 4 1 0 l 、低碳钢：低碳钢是早期的主导磁性材料，它的电阻率很低，这使得涡流 损耗成为磁损的主要部分。为了解决低碳钢涡流损耗过高的问题，开发了一种 改进的磁性材料硅钢片。硅钢是种合金材料( f e 。，s i 。) ，被应用在低频、 大功率的场合。硅钢具有很高的饱和磁感应强度、磁导率和居里温度，是良好 的工频大功率磁性元件。目前工程中常用的硅钢片有0 3 5 r a m 和0 5 m m 两种规格。 与传统的低碳钢相比，它的电阻率没有大的改变，但是它将整块的铁芯分割成 许多金属薄片，并且薄片之间相互绝缘，这大大地提高了磁性材料的利用率， 交流阻抗也随之增加，铁芯的涡流损耗大大降低。硅钢片的叠片厚度与工作频 率成反比，并且，随着叠片厚度的减小，加工工艺变得复杂，生产成本提高， 在工程中难以实现，这使硅钢片在更高频率下的应用受到了限制。 2 、铁氧体“”( f e r r i t e ) ：随着电源工作频率的提高，硅钢片日益难以满 足工程的要求，这时新材料的开发就显得尤为重要。铁氧体材料就是在这种情 况下被研究开发出来的。 铁氧体是一种非金属磁性材料，通常是由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉 末按一定的比例混合压制成型，然后在高温下烧结而成。铁氧体在外观上呈暗 灰色或黑色，质地非常坚硬、脆，化学性能属于惰性类型。高频铁氧体材料主 要分为m n z n 和n i z n 两种。m n z n 铁氧体饱和磁感应强度b s 一般为( 0 ，2 o 3 5 ) t ， 电阻率为( 1 0 1 0 3 ) q c m ，居里温度为2 0 0 。c 左右，相对初始磁导率高达1 0 5 ， 通常应用于1 m h z 的高频场合，适合做电感、变压器、扼流圈等元件的铁芯；n i z n 铁氧体的饱和磁感应强度b s 为( 0 3 0 5 ) t ，电阻率为( 1 0 5 1 0 “) q c m ，居里 温度为4 0 0 。c 左右，相对初始磁导率为2 0 0 0 左右，通常应用于( 1 3 0 0 ) m h z 的 高频场合。与m n z n 铁氧体相比，n i z n 铁氧体的性能更为优越，但是生产成本 也比m n z n 铁氧体高许多。因此在材料的选择上，要根据实际工程需要选择合适 2 上海大学硕士学位论文 的铁氧体材料。 目前绝大多数的软磁铁氧体晶格都为立方结构，易磁化，电阻率很高。与 传统硅钢片相比，铁氧体具有优秀的高频性能，磁损很低，无需分层绝缘就可 应用在高频场合。并且铁氧体的加工工艺简单，易于成型，价格低廉，被普遍 应用于高频场合。 3 、粉芯材料”1 ：铁氧体材料具有商电阻率和高磁导率的特点，被广泛应用 在高频场合。但是，它也存在致命的缺陷，即饱和磁感应强度值较低，这大大 地限制了磁性元件处理功率的能力。为了克服这个缺陷，通常有两种解决方法： 选用大号铁芯或在铁芯中加入气隙。前者显然不符合电力电子器件小型化的发 展趋势；而气隙的引入会产生边缘磁场，使铜损增加。正是在这种情况下，研 究产生了低磁导率的磁性材料粉芯材料。 粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的 表面覆盖上一层绝缘物质，用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗，最后将 这些经过处理的粉末高压成型。根据原料成分的不同，粉芯材料可分为铁粉芯、 钼坡莫合金粉芯1 ( m o l y p e r m a l l o yp o w d e r ，m p p ) 和高磁通粉芯等材料。这三 种材料的磁特性如表卜1 所示： 表卜l 常见粉芯材料的磁特性 铁粉芯铝坡莫舍金粉芯高磁通粉芯 相对磁导率 4 8 01 4 3 5 01 4 2 0 0 饱和磁感应强度 10 71 5 b s ( t ) 成分n i 7 9 f e l m 0 4f e 。【j n i5 广。泛应用于射气隙分布均匀，损耗最低、温度稳定性气隙分布均匀 其他 频领域最好，价格昂贵的磁环 与硅钢片相比，铁粉芯的涡流损耗大大降低，但是与其他高频磁性元件相 比，损耗还是偏高，在高频情况温升很大。鼠此，铁粉芯材料一般用于较低开 关频率的场合。铝坡莫合金粉芯材料由于其优秀的磁特性，是可供选择的磁导 率范围最广的粉芯材料。但是由于镍的含量很高( 7 9 ) ，它也是最昂贵的粉芯材 料。与铁粉芯相比，高磁通粉芯材料的磁损很低，饱和磁感应强度b s 很高，因 此，商磁通粉芯的使用令绝大多数场合下铁粉环的尺寸降低成为可能。 4 、非晶及纳米晶软磁合金“”“ 13 1 从磁性物理学上来说，原子的不 上海大学硕士学位论文 规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异的软磁性能是十 分重要的。但是，硅钢、铁氧体和粉芯材料都是晶态材料，原子在空间呈规则 排列形成周期性的点阵结构，存在晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶格向 异性等缺陷，不利于软磁性能。因此，在七十年代出现了一个新型的磁性材料 领域非晶态金属与合金。非晶合金具有优异的磁性、耐腐蚀性和耐磨性。 并且，它具有强度、硬度和韧性高，以及高电阻率和机电耦合性强的特点。由 于其性能优越、工艺简单，自八十年代起即成为国内外材料科学界的研究开发 的重点。目前，美国、德国及日本已具有完善的生产规模，在市场上出现了大 量的非晶合金产品，逐渐取代了硅钢和坡莫合金及铁氧体。 常见的非晶合金有：铁基、铁镍基、钴基非晶合金及铁基纳米晶合金。随 着研究的深入，在八十年代末期，研究人员发现，含有铜和铌的铁基非晶合金 在晶化温度以上退火时，会形成非常细小的晶粒组织( 1 0 2 0 纳米) 。这时材料 的磁性能变得非常优良。这种经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料成为纳米 晶合金。采用纳米晶铁芯的变压器的转换功率可达5 0 0 k w ，体积比功率铁氧体 变压器小5 0 以上。纳米晶软磁合金同时具有高饱和磁感应强度和很低的高频 损耗，热稳定性能良好，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择。其中，铁 基纳米晶合金的磁性能几乎能与非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美，但成 本大为降低，被广泛应用于高频变压器铁芯。 1 2 2 高频磁技术的发展： 随着现代电力电子技术向着高频化、绿色化、集成制造、平面化以及高功 率密度方向的发展，高频磁技术的也向着高频化、集成化、平面化、阵列化、 模块化以及高功率的方向发展 1 4 d 1 、高频化：开关频率的高频化是电力电子产品技术含量高低的重要标志， 磁性元件的高频化是电力电子技术高频化的必然要求，是磁性元件发展的最重 要的趋势。提高开关频率能降低功率磁性元件的体积和重量，从而降低整个产 品的体积和重量。但是，频率的提高会增加磁性元件的损耗，这又限制了开关 频率的进一步提高。为了克服这一矛盾，研究人员积极研制高频低损耗的磁性 4 上海大学硕士学位论文 规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异的软磁性能是 分重要的。但是，硅钢、铁氧体和粉芯材料都是晶态材料，原子在字问旱规则 排列形成周期性的点阵结构，存在晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶格向 异性等畦陷，不利于软磁性能。因此，在七十年代出现了一个新型的磁性材料 领域j 晶态金属与台金。非晶合金具有优异的磁性、耐腐蚀性和耐磨性。 并且，它具有强度、硬度和韧性高，以及高电阻率和机电耦合性强的特点。由 于其性能优越、工艺简单，自八十年代起即成为国内外材料科学界的研究开发 的重点。目前，美国、德国及日本已具有完善的生产规模，在市场上出现了大 量的非晶合金产品，逐渐取代了硅钢和坡莫合金及铁氧体。 常见的非晶合金有：铁基、铁镍基、钻基非晶合金及铁基纳米晶合金。随 着研究的深入，在八十年代末期，研究人员发现，含有铜和铌的铁基非晶合金 在晶化温度以上退火时，会形成非常细小的晶粒组织( 1 0 2 0 纳米) 。这时材料 的磁性能变得非常优良。这种经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料成为纳米 晶合金。采用纳米晶铁：吝的变压器的转换功率可达5 0 0 k w ，体积比功率铁氧体 变压器小5 0 以上。纳米晶软磁合金同时具有高饱和磁感应强度和很低的高频 损耗，热稳定性能良好，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择。其中，铁 基纳米晶合金的磁性能几乎能与非晶台金甲最好的钻基非晶合金相媲美，但成 本大为降低，被广泛应用于高频变压器铁芯。 1 2 2 高频磁技术的发展 随着现代电力电子技术向着高频化、绿色化、集成制造、平面化以及高功 率密度方向的发展，高频磁技术的也向着高频化、集成化、平面化、阵列化、 模块化以及高功率的方向发展“”。 1 、高频化：开关频率的高频化是电力电子产品技术含量高低的重要标志， 磁性元件的高频化是电力电子技术高频化的必然要求，是磁性元件发展的最重 要的趋势。提高开关频率能降低功率磁性元件的体积和重量，从而降低整个产 品的体积和重量。但是，频率的提高会增加磁性元件的损耗，这又限制了开关 频率的进一步提高。为了克服这一矛盾，研究人员积极研制高频低损耗的磁性 频率的进一步提高。为了克服这一矛盾，研究人员积极研制高频低损耗的磁性 4 上海大学硕士学位论文 材料，如铁氧体等，另外也出现了各种结构形式的磁性材料，如采用厚膜技术 制造分层铁芯、磁性薄膜( f p c ) 等。 2 、平面化：随着便携电源、在板电源的应用，要求磁性元件具有低平的平 面结构。平面化的磁结构在高频情况下有较大的散热面积，磁性元件热点到磁 性元件表面的热阻降低，提高功率密度。同时，磁性元件的平面化发展促进了 平面绕组的研究与发展。平面绕组具有便于制造、参数一致性好的特点，适用 于多层印制板技术，同时也便于应用变压器原副边绕组的层间交叠技术和匝间 换位技术等。 3 、集成化：磁性元件集成化的思想首次由c u k 提出。集成化技术将多个磁 性元件集成在一个铁芯结构上，或将磁性元件与线路板结合，如直接将磁性元 件的绕组制在线路板上，采用厚膜技术将铁芯和绕组制在硅片上等。采用磁性 元件集成化技术可充分利用各个磁性元件在具体电路拓扑上的磁通、磁势关系， 可减小体积，降低损耗。 4 、阵列化：磁性元件的阵列化可使传统块状磁结构的集中发热变为阵列磁 结构的均匀分布发热，大大增加了散热面积，使整个电路的温升分布趋向均匀， 提高了整个电路的功率密度。另外，磁性元件的阵列化技术使磁性元件成为十 分扁平的磁层，利于磁性元件的平面化的实现。 5 、混合化：磁性元件的混合化是将磁性元件和其他电路器件，如开关器件、 二极管、电容等合成制造在一起，以尽量缩短或消除器件之间的连线，消除或 抑制高频电路的分布参数的影响。提高效率，增加功率密度。 1 2 3 高频磁性元件损耗测量技术的发展： 测量铁芯损耗的方法可分为直接法和间接法“”1 。 1 、直接法是通过测量线圈电压和励磁电流来获得损耗，主要包括有瓦特表 法。”、谐振法 3 4 1b - h 回线法“”。它的优势在于：易建立试验装置，且可以多 次反复测量。但它最大的缺点是：由于测量系统引入了相角误差，会给测试结 果带来很大的误差，尤其在高频低功率因数的情况下，若没有采取有效的措施， 引入的误差将使测试结果失去意义。所以，大部分的工作都集中在如何减少相 上海大学硕士学位论文 角误差上。如，s c h m i d t 和g u i d n e r 采用谐振法测量铁芯损耗，在测量电路中 加入谐振电路，选择合适的电容，使电路产生谐振，整个电路成纯阻性，减少 相位误差。在高频率低功率因数的情况下，往往采用电容补偿的方法来减少浜 差。但是，在实际操作中，谐振法仅仅适用于正弦励磁情况，且随着频率的变 化，谐振电容也发生变化，不易选择合适的电容。而电容补偿虽然可以提高系 统功率因数，降低测量相对误差，但是，在高频下，电容的高频损耗增大，电 容本身的损耗难以估计。 2 、间接法包括有量热法n ”、电桥法 3 6 1 阻抗分析仪 3 7 1b - h 分析仪等， 其中，量热法是一种典型的测量方法，它通过测量磁性元件的发热量来测量铁 芯损耗。从理论上说，这是损耗测量的最精确的方法，但是它的测试装置比较 复杂，钡0 试时间较长，要求测试技术较高，故在工程中较少采用。 目前，在高频磁性元件损耗测量技术方面的研究都集中于如何消除或减小 相角误差，提高测量精度，寻求一个铁芯损耗测量的有效方法上。 1 2 4 高频磁性元件损耗理论分析、建模及计算的发展： 近年来，对高频磁性元件的研究和应用在国内外受到广泛的重视。从2 0 世 纪6 0 年代起，就有学者对功率变压器的高频参数进行研究，研究内容有：不同 几何形状的磁性元件的高频参数；不同励磁电压激励下磁性元件的损耗；对由 于集肤效应、邻近效应等引起的损耗进行计算和优化。 在铁芯损耗的计算方面，这些年来，在这方面的研究都集中在建立合理有 效的磁滞回线模型上，其中最具代表性的是p r e i s a c h ”61 模型和 j i l e s a n t h e r t o n “7 1 模型。但这些模型基本上都是静态的磁滞模型，因此，许 多学者都力图将静态的模型扩展到动态的情况。但这些动态模型复杂，参数确 定困难，不易实现，这在一定程度上限制了模型的应用。另外，铁芯损耗的分 离计算方法也被广泛的应用于计算铁损，但是由于剩余损耗难以确定，所以仅 适用于剩余损耗不严重的条件下。经验方程( s t e i n m e t ze q u a t i o n ) 可有效的计 算正弦对称励磁的铁芯损耗，对于非正弦励磁情况，可采用傅里叶分析方法， 将励磁波形分解成为基波和高次谐波，然后各次谐波分别利用经验方程计算后， 6 上海大学硕士学位论文 将结果累加得到总损耗。但是由于铁芯材料的非线性和计算方程的非线性，其 结果只能在很小的范围内适用。 随着计算机容量与速度的提高，高频磁性元件的计算技术得到迅速发展， 静态磁滞模型结合涡流场的计算，以及有限元数值分析计算等方法被大量地引 入到铁芯损耗的计算中。国际t e a m ( t e s t i n ge 1 e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i s m e t h o d s ) 指导委员会将工程磁损耗计算问题( p r o b l e m2 1 ) 列为近几年研究的重 点问题。c o m p u m a g ( c o m p u t i n ge l e c t r o a g n e t i cf i e l d s ) c o n f e r e n c e 也将铁磁 物质磁滞特性的模拟列为近年来的难点问题。对于铁芯损耗的建模与计算的研 究正在并将继续深入进行下去。 1 2 5 高频磁性元件损耗的仿真与优化设计的发展： 电子线路仿真软件的不断完善，使高频磁性元件仿真成为可能。计算机仿 真具有方便、快捷的特点，是高频磁性元件分析和设计的重要手段。仿真的对 象是磁性元件电路( 或磁路) 的模型。但是现有的磁性元件模型不够完善，模型 一般只引入了材料的非线性，没有考虑其他重要因素的影响：如电、磁路的耦 合，铁芯材料的磁滞特性，励磁波形及频率，直流偏置，温度系数等，造成仿 真精度不高，甚至难以仿真，因此，完善磁性元件的电路仿真模型是一项艰巨 而有意义的工作。 高频磁性元件优化设计的主要目的就是减小损耗、减小体积、提高功率。 目前，国际上就磁性元件优化设计方面作了不少工作，主要集中在从铁损、铜 损着手的功率磁性元件的优化设计：利用有限元数值方法，针对磁性元件参数 及绕组结构变化对参数的影响等方面，研究变压器绕组的最佳厚度及设计等。 优化设计水平与磁性元件模型的建立有密切关系，但是，由于磁性元件的结构 复杂且具有多样性，磁性元件参数具有分布性且难以确定，铁芯材料具有非线 性特点且与多种因素有关，完善合理的磁性元件模型难以建立，这阻碍了优化 设计的进程。 上海大学硕士学位论文 1 2 6 高频磁性元件研究中常用的数值模拟方法： 目前，在高频磁性元性元件的设计中，常用的数值模拟方法有：有限元法， 边界元法，离散单元法和有限差分法“”“” 2 0 1 。其中，最常用的是有限元法。 有限元计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。 有限单元的思想最早由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出。五十年代初期，由于工程 分析的需要，有限元法在复杂的航空结构分析中最先得到应用，而有限元法 ( f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d ) 这个名称则由c l o u g h 于1 9 6 0 年在其著作中首先提出。 1 9 6 5 年，w i n s l o w 首先将有限元法应用于电气工程问题。其后，1 9 6 9 年s i i v e s t e r 将有限元法推广应用于时谐电磁场问题。发展至今，对于电气工程领域，有限 元法已经成为各类电磁场、电磁波工程问题定量分析与优化设计的主导数值计 算方法，并且无一例外地成为构成各种先进、实用计算包的基础。 经验表明，有限元分析各阶段所用的时间为：4 0 5 0 用于有限元模型的建 立和数据输入，5 0 5 5 用于分析结果的判读和评定，而有限元的分析计算只占 5 左右。这种情况严重的影响了有限元法的推广和应用。随着计算数学的发展， 人们开始把映射技术引入有限元网格的生成，通过插值的办法把待分割域的描 述及剖分合为一体，这给网格分割带来了不少的便利。 制约有限元法应用的是模型的建立和数据的输入，其核心内容是区域的离 散网格的生成。有限元法的第一步是生成分析域的一个恰当的有限元网格， 网格划分质量的好坏直接影响到数值分析的精度。而对于复杂的几何体来说， 网格划分极费时间而且容易出错。各种自动程度不一的网格生成算法( 特别是在 二维的分析域中) 已比较成熟，且进入了实用。目前国际著名的通用有限元软件 有几十种，常用的有：s a d 、a n s y s 、a n s o f t 、n a s t r a n 、a d i n a 、a l g o r f e m 等， 其中，a n s y s 、a n s o f t 、n a s t r a n 软件是高频磁性元件设计中最常用的软件，利 用有限元软件可有效分析高频磁性元件的电感、电容、涡流、磁通密度、电流 密度、电磁场分布、能量损耗、温升等值。这些软件大多采用传统的结构化程 序设计方法。国内有m a g t o o l s 3 8 6 “电磁场有限元集成分析系统软件包，该软 件是运行在d o s 操作系统下，用于电磁场的分析设计，该系统由通用的前后处 理系统、有限元分析程序及有限元数据库组成，并提供输入输出接口供与第三 方软件交互。 上海大学硕士学位论文 9 9 1 年，在第五次i e e e 电磁会议上对部分有限元法电磁计算商业化软件 开发专业公司产品的调查显示了这些公司软件的一些特点与差异。目前，这些 软件的差异主要是使用环境上的差异，如适用的计算机机型范围上的差异等， 表l 一2 是一些公司软件功能的比较。 表卜2 ：部分公司软件功能的比较 静磁场时变场 公司静止运动静止运动 线性非线性线性非线性线性 非线性线性 非线性 二维 a n s o f t 三维 二维 m s c e 艟a s 三维 i n t e g r a t e d 二维 g n g i n e e r l n g s o f t w a r e 三维 二维 m e g a 三维 二维 m a g n e t 三维 二维 v e c t o rf i e l d s 三维 二维 a n s y s 三维 1 3 本课题研究的主要内容及研究方法： 1 3 1 本课题的主要研究内容 高频磁性元件的损耗主要分为磁损和铜损两大部分，其中磁损是本课题研 究的重点，在这一问题上主要完成了三部分的工作： 1 、对高频磁性元件的铁芯损耗的测量方法进行分析对比，确定方便、实用 9 上海大学硕士学位论文 的测量方法来测量有效的实验数据，为分析和研究打下坚实的实验基础。在本 课题中，采用数字示波器法测量高频磁性元件的铁芯损耗，经过量热法验证， 该测量结果具有可信性。 2 、电力电子器件大多工作在交直流叠加激磁的环境中，此时，磁性材料的 特性与单纯正弦波激磁的情况下有很大不同，本课题研究和分析了直流偏置对 磁性材料特性的影响，以及磁损与交直流磁感应强度的关系。 3 、在前面研究工作的基础上，进一步研究了滤波电感磁芯随大直流量变化 的特性，分析了改善铁芯直流叠加特性的方法。改善直流叠加特性的方法主要 有掺杂、开气隙及直流预磁化法。本课题着重介绍了采用直流预磁化法改善大 直流下铁芯的直流叠加特性，通过试验并结合仿真验证其有效性。 1 3 2 本课题的主要研究方法及主要工作 本课题根据实验测量并结合m a x w e l l 软件仿真，分析电感铁芯磁场分布， 研究直流偏置对磁性材料特性的影响，以及改善直流叠加特性的方法，并且通 过试验验证其有效性。 论文第一章中阐述了课题研究的目的、意义及国内外研究发展状况；第二 章结合高频磁性元件在电力电子装置中的应用，介绍了高频磁性元件损耗的主 要计算和测量方法，并对它们的使用范围进行比较：第三章中，介绍了小直流 偏置对铁芯损耗的影响，以及对铁氧体特性的影响，分析了磁损与交赢流磁通 密度的关系，并在一定的交流激磁范围内，对铁芯损耗与交直流激磁进行了定 量的分析；在第四章中，对照第三章中小直流偏置对磁性材料的影响，分析了 在大直流偏置电流下，改善铁芯的直流叠加特性的方法，并通过试验证明了其 有效性：第五章是对整个研究的总结及将来工作的展望。 l o 上海大学硕士学位论文 第二章磁性元件及其磁损的 计算与测量方法 开关电源是很普遍的一种电力电子设备，人们每天都会接触的计算机、手 机、家用电器等都用到了大量的开关电源。磁性元件作为能量储存以及传输的 元件是开关电源中最重要的组成部分之一，因此，我们就从开关电源中的磁性 元件说起。 2 1 开关电源中的磁性元件 磁性元件在开关电源中起重要的作用。用于开关电源地磁性器件包括：变 换电源功率的主变压器；输入滤波器( 包括低频滤波器和高频滤波器) ；降低输 出纹波因数用的整流滤波器以及其他磁性器件。其中，用作主变压器及整流滤 波器的铁芯必须是功率材料，即要求有高的磁感应强度。图2 - 1 表示开关电源 用磁性元件 2 1 1 0 交流输入信号通过低频滤波器l 、l 和高频滤波器l j 、乙以后， 由转换开关将连续波转换成开关信号，通过开关变压器后，经整流得到直流信 号，信号通过整流滤波器后，输出直流电压。为了使输出电压进一步稳定，采 用磁放大器，由负反馈信号的大小决定磁放大器的工作状态。磁放大器是负反 馈放大器，它的功能是使输出信号更为平滑。 赣入滤涟嚣 图2 - 1 开关电源用磁性元件 上海人学硕士学位硷文 2 1 1 电感器 铁芯电感器在电力电子设备中应用极为广泛，品种繁多。通常，铁芯电感 器可分为直流滤波电感器、交流电感器和饱和电感器三种，以前两种应用最多。 1 、直流滤波电感器：又称整流滤波器，用于滤除整流后的交流纹波，使整 流后的直流部分更加平直，减小其纹波电压，以满足电子设备对直流电源的要 求。它的主要技术指标为：电感量和直流电压降。电感量按所要求的纹波系数， 在进行整流器和滤波器计算时确定；直流电压降影响整流器输出电压和负载调 整率。 在图2 1 中，整流电路与负载之间串入一个电感，组成桥式整流电感滤波 电路。由于整流后脉动电压具有交流分量和直流分量，而电感对交流阻抗为ui 。， 对直流阻抗仅为电感线圈的直流电阻，6 2 l r ，故交流分量大多落在电感上， 而直流分量很容易通过电感加在负载上，从而达到滤波的目的，显然，电感越 大，滤波效果越好。直流滤波电感器工作在直流条件下，线圈同时留过直流电 流和交流电流，并以直流电流为主要成分。在电感器铁芯中存在着交直流两种 磁化场，其中直流分量是主要部分。因此必须考虑直流磁化对电感的影响。直 流滤波电感器工作电流大，电感值大，要求铁芯具有恒磁导特性，一般至少是 同样参数的交流滤波电感器容量的两倍。直流滤波电感器采用铁粉芯或非晶合 金材料。 对直流滤波电感器的基本要求是，当流过较大的直流磁化电流时，有稳定 的电感量。直流滤波电感器的电感量会随直流磁化电流的增加而降低。这是因 为随着直流磁化电流的增大，铁芯越来越达到饱和状态，磁导率下降。在电感 器铁芯磁路中引入气隙可以减小电感随直流磁化电流增大而产生的下降量。对 应于给定的直流磁化电流，具有一个最佳的气隙，相对于这个最佳气隙，直流 滤波电感器可以获得最大的电感值。同时，气隙的引入增加了磁阻，用以抵消 直流磁场的影响，避免铁芯饱和。然而，由于气隙的存在，又带来许多新的弊 端。例如，有效磁导率下降，气隙处电磁干扰严重，体积大，工艺复杂；同时， 由于气隙调整困难，使电感量误差变大。具有线性磁滞回线、又称恒磁导性的 铁芯，可以克服因气隙存在而带来的许多弊端，使设计简单、调试容易、干扰 小。 上海大学硕士学位论文 适用于直流滤波电感器的铁芯有铁粉芯、铝玻莫合金( 即铁镍钼磁粉芯 m p p ) 、铁硅铝磁粉芯( m s ) 、铁氧体及非晶合金等“”。其中，具有恒磁导性的非 晶铁芯由于具有b 。高、温度特性良好、铁芯损耗小，且有3 种形状的磁滞回线 可供选择的优势，是制作直流滤波电感器的最佳选择。 2 、交流电感器：用于交流回路，通常用来平衡、镇流、限流和滤波等。交 流电感器工作于交流状态，无直流磁化，类似于单线圈变压器。其电磁过程与 变压器的主要区别在于：在变压器铁芯中的磁感应强度取决于外加电压，与实 际的负载电流无关：而对于大多数交流电感器来说，铁芯中磁感应强度的确定 取决于负载电流，与电路的外加电压无关。交流电感器的电感量随交流磁场的 变化而呈非线性变化。只有在铁芯来达到饱和时，变化才近似线性。在交流电 感器铁芯中插入气隙能够改变其有效磁导率，因此变化气隙的大小可调节电感 值。当铁芯中气隙增大到一定值时，在磁场变化时，电感量将保持基本不变， 这时的交流电感器将具有线性的伏安特性。大多数的交流电感器都具有近似于 线性的伏安特性。 交流电感器的主要技术指标为：在某一交流电流( 固定的或有一定变化范围 的) 作用下的电感值。对某些工作在高频的交流电感器，品质因数q 也是一个重 要的技术指标。 电感线圈多用于高频电路中，如滤波器用电感线圈、振荡回路电感线圈、 陷波器线圈、高频扼流圈、匹配线圈、噪音滤波线圈等等。大多数电感线圈是 工作在交流状态，因此，它属于交流电感器的范畴，是交流电感器的一个分支。 电感线圈的铁芯以铁氧体铁芯使用最多，也有采用钼坡莫粉末铁芯、非晶或超 微晶粉末铁芯及精密软磁合金等。它的主要技术指标为电感量和品质因数。在 某些场合，对电感的温度稳定性也有一定的要求。 3 、饱和电感器：一般用于稳压和调压线路中，通过调节交流电路中的感抗 来达到稳定或调节电压的目的。饱和电感器至少有两个绕组，一个绕组( 工作绕 组) 接入交流电路，另一个绕组( 控制绕组) 接入直流电流。 饱和电感器铁芯中存在着交直流两种磁化状态，交流成分占大多数，由于 上海_ 人学硕士学位论文 铁芯磁化曲线的非线性，工作绕组中电流波形失真，在接近铁芯饱和时更为明 显。其主要技术指标：电感量调节范围或输出电压调节范围，负载功率的最大 与最小值，控制电流( 功率) 的最大与最小值，功率因数最小值等。 磁放大器为常见的饱和电感器，图2 - 2 为一个典型的饱和电感器器的电路 图 2 3 1 e 图2 - 2磁放大器的典型电路 由于饱和电感器中的铁芯工作在饱和区，即铁芯材料的磁滞回线应该是矩 形的。通常使用铁氧体磁性材料。由于任何气隙的存在都会影响磁滞回线的矩 形程度，所以，饱和电感器器的铁芯通常采用不带任何气隙的磁环。 2 1 - 2 开关变压器 变压器的作用是实现能量的传递，并实现电气隔离。对于主变压器中的磁 性材料的选择，在低功率的情况下，一般不考虑铁芯的饱和现象和工作温度的 问题，但是，对于传输较大功率的功率变压器来说，这两点是设计时必须考虑 的重要因素。一般来说，对于开关变压器铁芯的材料要求是：高磁导率，低损 耗。一般选用高频低耗m n z n 铁氧体材料。 表2 1 为开关电源各部分磁性元件常用材料的要求。从表中可以看出， 1 4 上海大学硕士学位论文 表2 - i 开关电源用磁性元件材料的要求 输入滤波器 开关变压器磁放大器整流滤波器 低频滤波电感 高频滤波电感 i 磁滞回线 不要求不要求不要求好不要求 l 的矩形度 磁导率不要求高较高较高不要求 一 b s高 较高高较高向 l 铁芯损耗低低低低低 以前 铁粉芯高pm n - z n 高b硅钢片，m n z n ， 8 0 n i - f e i 使用材料 m n z n n i f e 粉芯 现在 f e - s i 粉芯，c o 基 高频低耗c o 基非晶带f e 基非晶带 使用材料f e 基非晶带非晶带 m n - z n ( 矩磁)( 高b ，高p ) 从表2 - 1 中，我们发现，随着电力电子技术日益向着高频化、小型化和低 损耗的方向发展，新型的非晶材料正逐渐取代了传统的硅钢及铁氧体材料，应 用范围越来越广泛。非晶合金是利用快速凝固技术制造的新材料，具有优异的 软磁性能，是硅钢片、坡莫合金以及铁氧体的换代产品，应用于电力电子变压 器、互感器、电感、传感器等领域，大大促进了电力电子电源的小型化和节能。 非晶合金的制造工艺完全不同于传统的钢铁产品，它将钢水直接铸造成0 0 3 m m 的钢带产品，极大的简化了冶金工艺，节省了大量的能源。因此，非晶合金是 绿色环保的节能材料。 关于铁基非晶台金磁环开气隙制备成非晶电感材料及器件，张家骥先生曾 对此进行系统研究“”“”，认为这类电感具有两个主要特点：i ) 具有高饱和磁感 ，可使磁性器件小型化；2 ) 具有良好的高频特性，铁芯损耗发热小；3 ) 具有 较好直流叠加特性，线性电感范围大，且可通过气隙来调整等特点。 对于大功率大电流高频条件下的电感器件，带气隙非晶电感器件性能价格 比远远优于铁氧体和磁粉芯( m p p ) 。与磁粉芯( m p p ) 相比，非晶电感的有效磁导 率u 。可达几百，且b ；高，同样规格条件下的铁芯电感量可达后者几倍，显然 有利于电感器件的小型化，降低成本。与高性能铁氧体相比，由于后者饱和磁感 b ；、饱和磁场h 和居里温度低，铁芯尺寸差不多是同规格性能的带气隙非晶电 感铁芯几倍，即使考虑到价格的不利因素外带气隙非晶电感器件还是具有一 定的竞争力。如在某军用三相电源中，一只中1 4 0 x 中8 0 3 5 m m 带气隙非晶滤 波电感铁芯可替代6 只以上中1 2 5 x 中7 5 2 0 m 的高性能铁氧体。 i s 上海火学硕士学位论文 目前铁基非晶环形铁芯开气隙和矩型铁芯对切成c 型电感铁芯，已广泛地 用作各种各样的电感器件，尤其是被用于制造高频大电流大功率逆变电源、开 关电源的滤波电感，并已系列化。 2 2 高频磁性元件损耗的主要计算方法 磁性元件决定了电力电子装置整机的效率及尺寸，是电力电子装置中最重 要的部分之一。磁性元件的损耗数值是电力电予装置设计中的重要参数。下面， 首先讨论磁性元件损耗的计算方法。 磁性元件损耗的计算方法主要有磁滞模型计算法、损耗分离法、s t e i n m e t z 方程法和等效正弦法等。 1 、磁滞模型计算铁芯损耗： 磁滞回线所包围的面积与铁芯损耗密切相关。动态磁滞回线的面积即为包 括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗在内的所有损耗。因此，计算出磁滞回线的 面积，就可算出磁性元件的铁芯损耗。图2 - 3 是软磁材料的磁滞回线，图2 4 是磁滞回线的近似值。 9 ji b i 霜 p 尸 “1 一b i b jl 厂弋il 9 l l 4 i 图2 - 3 磁滞回线 圈2 - 4 磁滞回线的近似值 常用的磁滞模型有p r e i s a c h 模型蛐1 、h o d g d o n 模型m 1 、j j e s a t h e r t o m 磁滞模型1 。 2 、损耗分离法计算损耗： 根据m a x w e l l 定律计算出的涡流损耗与测量得到的损耗相近。将铁芯损耗 1 6 上海大学硕士学位论文 p 。分成静态磁滞损耗p h 、动态涡流损耗p 。以及剩余损耗p “ 只= 只+ + e o ( 2 1 ) 损耗中的静态磁滞损耗可利用静态磁滞模型，如p r e is a c h 模型或 j i l e s a t h e r t o m 模型来计算。动态涡流损耗可根据麦克斯韦理论利用数值方法 计算。 3 、传统s t e i n m e t z 方程计算损耗1 2 9 1 铁芯损耗中的磁滞损耗正比于口：和f ，涡流损耗正比于曰：和f ”，剩余损耗 也正比于f 和b 。由于这三部分都与f 和民相关，因此铁芯损耗可由传统的 s t e i n m e t z 方程求得： 0 = 巳f 占： ( 2 - 2 ) 其中，q 为常系数，p 和q 为大于】的非整数，均与材料和频率有关。c 。 p 和q 可直接由铁芯材料生产商提供的数据手册进行拟合得到。 铁芯损耗p 。： 圪= 吒0 = z , c 。f 9 群q ( 2 - 3 j 这种方法方程简单，精度较高，在工程上得到了广泛的应用。但是仅适用 于正弦对称激磁情况。 4 、等效正弦法计算损耗11 3 1 1 t 传统s t e i r t m e t z 方程只适用于计算铁芯磁通正弦对称变化的情况。等效正弦 法在线性系统，将非正弦的励磁波形按傅立叶级数展开，然后将每个正弦分量 分别代入s t e i n m e t z 方程计算，最后将基波损耗和高次谐波损耗相加，得到总的 铁芯损耗。但是，叠加原理不适用于非线性系统。不过，在铁芯材料的线性区， 可以用等效正弦法对非正弦波形励磁的损耗作初步的定量分析。 对上述四种方法进行比较，等效正弦法适用范围广，易于理解，而且所需 要的参数少，精度较高，在工程上应用较广。( 见表2 - 2 ) 上海大学硕士学位论文 表2 2 铁芯损耗计算方法对照表 适用性复杂性所需参数精度 磁滞模型法任意对称激磁情况复杂多较高 损耗分离法任意对称激磁情况复杂多 一般 s t e i n m e t z 方程法正弦对称激磁 简单 少( 3 个) 较高 等效正弦法任意波形对称激磁简单少较高 2 3 高频磁性元件损耗的测量方法： 高频磁性元件的铁芯损耗主要包括铁芯的涡流损耗和磁滞损耗。常用的测 量方法分为直接法和间接法“1 3 2 1 直接法就是通过测量励磁电流与线圈感应电 压来获得损耗，包括数字示波器法、瓦特表法、谐振法、b h 回线法。间接法 包括量热法、电桥法、阻抗分析仪、b h 分析仪等。在实际的测量过程中，各 种方法可综合使用。相角误差是高频损耗测量误差的最主要的来源之一。 2 3 1 量热法 量热法是一种典型的损耗间接测量方法。铁芯损耗转