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一个多电平逆变电感损耗计算与仿真的例子

硬件攻城狮 来源:LLCer 作者:LLCer 2022-10-31 14:02 次阅读

电感参数:

磁芯:EE55,3C95,中柱3mm气隙

绕组:0.1mm*800*1 膜包线,中柱8匝,单股线绕

电感量:30uH

拓扑为ANPC-9Level

97be7bf2-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

相关波形计算如下,理想条件,理想波形

电感电压

97d3b5c6-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

电感纹波电流

97e9ac96-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

逆变相电压

97fe9fd4-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

逆变线电压

一,电感量计算

磁阻法计算电感量

1,中柱1段气隙

98144f96-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

98446bcc-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

2,中柱4段气隙

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3,中柱及边柱均有气隙

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98a54942-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

二,绕组损耗计算

采用平方场微分的方法,以中柱一段气隙为例

绕组分布位置,绕一层,外部空间较大

98b2d3d2-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

电流激励,采用仿真电感电流波形,包络形状与理想波形有较大差异,对应工频成分有一些畸变,开关成分与计算结果还是很好吻合的。

98c8d344-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组损耗计算值1.68W

98e1a3ba-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

三,Gecko仿真

磁芯尺寸

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9913608a-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组参数设置,Litz圆线,0.1mm*800*1,每匝线总截面直径4mm

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激励输入,同样以仿真电感电流波形作为输入激励

993e39c2-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

1,中柱1段气隙

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损耗结果,绕组高频损耗是0

997b8a7a-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

2,中柱4段气隙

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损耗结果,绕组高频损耗是0

99b06420-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

3,中柱及边柱均有气隙

99c4a854-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

损耗结果,绕组高频损耗是0

99f2a0f6-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

从如上结果来看,逆变电感这类,工频电流上叠加小纹波高频电流的激励,带来的绕组损耗中是以工频电流损耗为主要部分,高频小纹波电流带来的绕组损耗所占比例较小。这与实际使用中,当开关频率在数十kHz等级,PFC/inverter电感多使用实心粗铜线/扁平线作为绕组是一致的。

如果开关频率更高,比如达到上百kHz及以上,这时候小纹波电流带来的绕组损耗所占比例对应提高,使用Litz线绕组对损耗的降低将是明显的。

四,Maxwell静磁场仿真

磁芯尺寸如下,以中柱一段气隙为例,静磁场仅支持线性磁芯材料。绕组为铜绕组,静磁场不支持Litz材料

9a12f1f8-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9a285854-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

截面网格,设置气隙表面网格尺寸0.3mm

9a35f7ca-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组网格,设置绕组表面网格尺寸0.2mm

9a3ee0c4-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

如上网格设置,静磁场几分钟就迭代到1%误差内,共3次迭代

9a506b5a-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

电感量仿真值25.94uH

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磁芯中磁感应强度矢量图

9a751568-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

五,Maxwell涡流场仿真

涡流场是正弦激励,可设置正弦激励的幅值及频率,可得到电感量、磁芯损耗、绕组损耗等相关输出量。涡流场支持Litz模型及非线性磁芯模型,这里做对应设置。

9a95ccb8-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组涡流效应不勾选,因为选用了Litz绕组模型

9aa4c6b4-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

磁芯损耗勾选

9abd8ca8-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

1,磁芯选择PC95_100_BH,后缀BH是指实际BH曲线,非线性

涡流场比静态场耗时稍长,不到5分钟就收敛到1%误差内,

9acd06c4-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9aff2f82-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

设置了频率扫描,50Hz~64kHz,共6个点,这样结果可以曲线的形式输出,横轴为激励频率

在设置频率范围内,电感量随频率变化不大,26.01uH,与静磁场结果基本一样

9b0bde44-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9b31265e-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

LR矩阵参数电阻

9b409738-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9b774e40-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

磁芯损耗

9b8826a2-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组损耗,绕组损耗结果与预期不符 -- 这里得到不同频率下绕组损耗是一样的,而且StrandedLossAC为0

9ba6196e-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

场图结果,64kHz/0度,绕组截面电流密度分布

9bd646c0-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

场图结果,64kHz/0度,整个绕组电流密度分布

9bf60ce4-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

场图结果,64kHz/0度,整个磁芯磁感应强度幅度分布,边沿位置磁感应强度最大

9c2307c6-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

2,磁芯选择PC95_100,无后缀BH,是指线性材料

作为对比,将磁芯设置成线性材料,结果如下

9c38b558-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9c575120-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

在50Hz~64kHz频率范围内,电感量随频率变化仍然不大,电感量稍小一些,为25.88uH

9c65983e-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9c7b2e06-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

LR矩阵参数电阻

9c8baf2e-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9c9a64ec-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

磁芯损耗

9cb1ec3e-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组损耗结果同样与预期不符 -- 这里得到不同频率下绕组损耗是一样的,而且StrandedLossAC为0

9cd1b6a4-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

场图结果,64kHz/0度,绕组截面电流密度分布,和非线性磁芯材料结果差异不大

9ce1ee8e-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

场图结果,64kHz/0度,整个绕组电流密度分布,与非线性磁芯结果无明显差异

9cf03ef8-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

场图结果,64kHz/0度,整个磁芯磁感应强度幅度分布,边沿位置磁感应强度最大

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六,Maxwell瞬态场仿真

电流激励采用仿真数据导入的方式,注意修改数据单位

9d7c70da-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

网格映射到静磁场,不再重新剖分网格

9db0391a-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

这里选择非线性的PC95_100_BH材料

9aff2f82-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

仿真时间40ms,两个工频周期。初始设置每个开关周期20个点,1ms用时约1h45min,预估40ms共耗费70小时。实际上电感的工频时间仿真速度并不慢,只是选择非线性磁芯材料,比线性磁芯材料明显变慢。

9dce6cfa-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

9ddfc9a0-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

调整到每个开关周期8个点,40ms共耗时约30小时,产生73G数据,得到最终的瞬态结果。

输入电流激励

9df527fa-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

输出电感电压

9e22615c-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

磁芯损耗

9e3e8c7e-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组损耗,StrandedLossAC是绕组总损耗,StrandedLoss是直流电阻损耗,二者差值为绕组高频损耗

9e7b500a-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

上图波峰处展开,StrandLossAC比StrandedLoss稍大一点点,说明绕组高频损耗很小。

9eb57e6a-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

数据后处理,得到工频周期平均损耗

磁芯损耗17.5mW

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绕组总损耗1.49W

9edb9640-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组直流电阻损耗1.44W,绕组高频损耗50mW,此例可见绕组采用Litz线,电流激励为工频叠加高频纹波时,绕组高频损耗占比是很小的

9ee46f2c-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

场图分布,如下为电流工频波峰处场图

整个磁芯,磁感应强度矢量

9eff5b5c-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

整个磁芯,磁场强度矢量

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磁芯截面,磁感应强度矢量

a121efb2-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

磁芯截面,磁场强度矢量

a13ae9fe-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

磁感应强度幅度分布

a1473c90-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组截面电流密度,每股线电流均匀分布。由于小纹波的缘故,高频效应很小,这与绕高频损耗占比很小是一致的。

a16d59a2-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

绕组截面电流密度,电流工频过0处,每股线电流仍是均匀分布而且几乎是0。通常来讲,正弦电流过零处,电流斜率最大,此刻绕组高频效应是最大的(可见五中涡流场电流密度分布)。此例没有这个现象,同样是因为小纹波的缘故,高频效应很小。

a18fe1fc-58d5-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

审核编辑:汤梓红

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原文标题:一个多电平逆变电感损耗计算与仿真的例子

文章出处:【微信号:mcu168,微信公众号:硬件攻城狮】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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