一個多電平逆變電感損耗計算與仿真的例子

電感參數(shù)：

磁芯：EE55，3C95，中柱3mm氣隙

繞組：0.1mm*800*1 膜包線，中柱8匝，單股線繞

電感量：30uH

拓撲為ANPC-9Level

相關波形計算如下，理想條件，理想波形

電感電壓

電感紋波電流

逆變相電壓

逆變線電壓

一，電感量計算

磁阻法計算電感量

1，中柱1段氣隙

2，中柱4段氣隙

3，中柱及邊柱均有氣隙

二，繞組損耗計算

采用平方場微分的方法，以中柱一段氣隙為例

繞組分布位置，繞一層，外部空間較大

電流激勵，采用仿真電感電流波形，包絡形狀與理想波形有較大差異，對應工頻成分有一些畸變，開關成分與計算結果還是很好吻合的。

繞組損耗計算值1.68W

三，Gecko仿真

磁芯尺寸

繞組參數(shù)設置，Litz圓線，0.1mm*800*1，每匝線總截面直徑4mm

激勵輸入，同樣以仿真電感電流波形作為輸入激勵

1，中柱1段氣隙

損耗結果，繞組高頻損耗是0

2，中柱4段氣隙

損耗結果，繞組高頻損耗是0

3，中柱及邊柱均有氣隙

損耗結果，繞組高頻損耗是0

從如上結果來看，逆變電感這類，工頻電流上疊加小紋波高頻電流的激勵，帶來的繞組損耗中是以工頻電流損耗為主要部分，高頻小紋波電流帶來的繞組損耗所占比例較小。這與實際使用中，當開關頻率在數(shù)十kHz等級，PFC/inverter電感多使用實心粗銅線/扁平線作為繞組是一致的。

如果開關頻率更高，比如達到上百kHz及以上，這時候小紋波電流帶來的繞組損耗所占比例對應提高，使用Litz線繞組對損耗的降低將是明顯的。

四，Maxwell靜磁場仿真

磁芯尺寸如下，以中柱一段氣隙為例，靜磁場僅支持線性磁芯材料。繞組為銅繞組，靜磁場不支持Litz材料

截面網(wǎng)格，設置氣隙表面網(wǎng)格尺寸0.3mm

繞組網(wǎng)格，設置繞組表面網(wǎng)格尺寸0.2mm

如上網(wǎng)格設置，靜磁場幾分鐘就迭代到1%誤差內(nèi)，共3次迭代

電感量仿真值25.94uH

磁芯中磁感應強度矢量圖

五，Maxwell渦流場仿真

渦流場是正弦激勵，可設置正弦激勵的幅值及頻率，可得到電感量、磁芯損耗、繞組損耗等相關輸出量。渦流場支持Litz模型及非線性磁芯模型，這里做對應設置。

繞組渦流效應不勾選，因為選用了Litz繞組模型

磁芯損耗勾選

1，磁芯選擇PC95_100_BH，后綴BH是指實際BH曲線，非線性

渦流場比靜態(tài)場耗時稍長，不到5分鐘就收斂到1%誤差內(nèi)，

設置了頻率掃描，50Hz~64kHz，共6個點，這樣結果可以曲線的形式輸出，橫軸為激勵頻率

在設置頻率范圍內(nèi)，電感量隨頻率變化不大，26.01uH，與靜磁場結果基本一樣

LR矩陣參數(shù)電阻

磁芯損耗

繞組損耗，繞組損耗結果與預期不符 -- 這里得到不同頻率下繞組損耗是一樣的，而且StrandedLossAC為0

場圖結果，64kHz/0度，繞組截面電流密度分布

場圖結果，64kHz/0度，整個繞組電流密度分布

場圖結果，64kHz/0度，整個磁芯磁感應強度幅度分布，邊沿位置磁感應強度最大

2，磁芯選擇PC95_100，無后綴BH，是指線性材料

作為對比，將磁芯設置成線性材料，結果如下

在50Hz~64kHz頻率范圍內(nèi)，電感量隨頻率變化仍然不大，電感量稍小一些，為25.88uH

LR矩陣參數(shù)電阻

磁芯損耗

繞組損耗結果同樣與預期不符 -- 這里得到不同頻率下繞組損耗是一樣的，而且StrandedLossAC為0

場圖結果，64kHz/0度，繞組截面電流密度分布，和非線性磁芯材料結果差異不大

場圖結果，64kHz/0度，整個繞組電流密度分布，與非線性磁芯結果無明顯差異

場圖結果，64kHz/0度，整個磁芯磁感應強度幅度分布，邊沿位置磁感應強度最大

六，Maxwell瞬態(tài)場仿真

電流激勵采用仿真數(shù)據(jù)導入的方式，注意修改數(shù)據(jù)單位

網(wǎng)格映射到靜磁場，不再重新剖分網(wǎng)格

這里選擇非線性的PC95_100_BH材料

仿真時間40ms，兩個工頻周期。初始設置每個開關周期20個點，1ms用時約1h45min，預估40ms共耗費70小時。實際上電感的工頻時間仿真速度并不慢，只是選擇非線性磁芯材料，比線性磁芯材料明顯變慢。

調(diào)整到每個開關周期8個點，40ms共耗時約30小時，產(chǎn)生73G數(shù)據(jù)，得到最終的瞬態(tài)結果。

輸入電流激勵

輸出電感電壓

磁芯損耗

繞組損耗，StrandedLossAC是繞組總損耗，StrandedLoss是直流電阻損耗，二者差值為繞組高頻損耗

上圖波峰處展開，StrandLossAC比StrandedLoss稍大一點點，說明繞組高頻損耗很小。

數(shù)據(jù)后處理，得到工頻周期平均損耗

磁芯損耗17.5mW

繞組總損耗1.49W

繞組直流電阻損耗1.44W，繞組高頻損耗50mW，此例可見繞組采用Litz線，電流激勵為工頻疊加高頻紋波時，繞組高頻損耗占比是很小的

場圖分布，如下為電流工頻波峰處場圖

整個磁芯，磁感應強度矢量

整個磁芯，磁場強度矢量

磁芯截面，磁感應強度矢量

磁芯截面，磁場強度矢量

磁感應強度幅度分布

繞組截面電流密度，每股線電流均勻分布。由于小紋波的緣故，高頻效應很小，這與繞高頻損耗占比很小是一致的。

繞組截面電流密度，電流工頻過0處，每股線電流仍是均勻分布而且?guī)缀跏?。通常來講，正弦電流過零處，電流斜率最大，此刻繞組高頻效應是最大的（可見五中渦流場電流密度分布）。此例沒有這個現(xiàn)象，同樣是因為小紋波的緣故，高頻效應很小。

審核編輯：湯梓紅