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

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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。
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