基本电感模型的降压转换器电路
出处：维库电子市场网 发布于：2024-08-15 17:10:11 | 431 次阅读
电感的基本电路模型仅包括直流电阻和固定电感值。直流电阻值将提供非常低的电感耗散估计值。有两种方法可以评估电感的性能。从设计人员的角度来看，最方便的方法是运行 LTspice 仿真，只需单击电感元件即可查看仿真过程中的损耗。我们可以对原理图中的所有其他元件执行此操作，并且它已成为除磁性元件之外每个元件的标准。
您可以从左侧的图表中看到，根据 Coilcraft DC-DC 优化器提供的数据，损耗如何随着输入电压的增加而增加。红色曲线显示了直接从LTspice中的电路模拟预测的损耗。使用 DC 模型，预测的损耗非常低，并且输入电压的变化很小。
在右图中，输入电压固定在 130 V（最高耗散电压），频率从 100 kHz 到 300 kHz 不等。在低频下，损耗大幅增加。纹波电流更高，磁芯中的磁通偏移更高。这在直观上并不明显，因为您经常会读到一些论文，声称磁损耗会随着频率的增加而增加，而不是减少。 虽然可以通过 Coilcraft 软件获取电感器损耗的数据，但这对设计人员来说并不十分方便。想象一下，如果电路的每个组件都需要供应商提供定制程序来评估其损耗，那将是多么繁琐的工作。在半导体领域，除非零件具有合理准确的仿真模型，否则您无法出售它。这种期望尚未应用于磁性元件。造成这种情况的原因有很多，但不必如此。 降压转换器电路中的高级电感模型
图 4 显示了电感器的更高级仿真模型。除了串联直流电阻外，您还可以看到标有 Rac 的块。由于邻近损耗，绕组的电阻会随频率而增加。还有一个块表示电感器的铁芯损耗。这与铁芯材料、使用的匝数和铁芯尺寸非常相关。
所有交流电阻和磁芯损耗模型的参数都是借助 RidleyWorks 设计软件 [2] 得出的。本文后面会介绍这些内容。 图 5 将高级模型的LTspice 仿真产生的数据与制造商的测量数据进行了比较。测量值和模拟值之间的偏差非常小。这正是电路设计人员想要的——一个能够预测模拟损耗的简单模型，就像电路中的其他每个组件一样。一旦设计人员拥有了值得信赖的电路模型，就不再需要使用定制软件来获得所需的结果。您还可以将电路模型置于您喜欢的任何拓扑中，具有任意电路波形，并期望获得可靠的结果。
图 4.降压转换器原理图中的高级电感模型。图片由Bodo's Power Systems 提供
需要两个元素来匹配电感器中的总损耗。第一个是绕组损耗，它应该与频率有关。这是通过图 6 所示的电路图实现的，该电路图由五个电感器和五个电阻器组成。RidleyWorks 自动选择电路值以匹配所需的交流电阻特性。 在直流时，网络的所有电感器都是短路，剩下的唯一电阻是 R dc。电感器的阻抗会随着频率的增加而增加，从而增加网络的电阻。这种类型的电路最初是在 [4] 中为磁绕组建模提出的，并已被少数几位研究人员使用了很多年。它是 RidleyWorks 生成的电路模型的基础。我们还没有看到任何磁体制造商使用这种电路。
提供精确模拟数据所需的第二个要素是良好的磁芯损耗模型。您会在文献中发现许多解决磁芯损耗模拟问题的尝试，但它们都没有成为主流。 图 7 显示了 RidleyWorks 为 Coilcraft 电感器样本得出的电路模型。这是一组由电感器两端的电压驱动的六个并联 RL 分支。相关电压源用于模拟磁芯损耗与振幅的非线性指数，而 RL 分支则模拟适当的频率依赖性。
该电路将提供所需的特性——电阻值随频率降低，在最低频率时磁芯损耗最高。本文的下一部分将进一步解释该模型。
我们有理由期待拥有一个精确的电感器仿真模型，这将为电源设计人员提供所需的信息——直接从仿真中发现的损耗与实际测量结果非常吻合。我们已经证明，对于特定的电感器，这可以可靠地完成，而且工作量相对较少。我们希望电感器制造商能够开始为用户提供此类精确而先进的模型，以加快工程师的设计过程。
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