圖 1 顯示了我們將在本文中討論的示例電感器。它是 Coilcraft 的螺旋箔電感器，額定使用電流高達(dá)約 20 A。我們花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力來提供該組件的詳細(xì)損耗特性，可以通過使用他們的 DC-DC 優(yōu)化程序以交互方式找到這些特性。　　這些數(shù)據(jù)對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來說非常有用。這是提供可通過測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證的詳細(xì)電路模型的重要一步。

　　具有基本電感器模型的降壓轉(zhuǎn)換器電路

　　圖 2 顯示了帶有電感器的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。請(qǐng)注意，電感器的基本電路模型僅包括直流電阻和固定電感器值。直流電阻值將提供對(duì)電感器耗散的非常低的估計(jì)。有兩種方法可以評(píng)估電感器的性能。從設(shè)計(jì)人員的角度來看，最方便的方法是運(yùn)行LTspice 仿真，只需單擊電感器組件即可查看仿真過程中的損耗。這就是我們可以對(duì)原理圖中的所有其他組件執(zhí)行的操作，并且它已成為除磁性元件之外的每個(gè)組件的標(biāo)準(zhǔn)。
　　圖 2. 具有 Coilcraft 電感器 DC 參數(shù)的降壓轉(zhuǎn)換器電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]　　評(píng)估電感器性能的另一種方法是使用組件制造商為轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)開發(fā)的定制工具。對(duì)于此處使用的電感器，已經(jīng)收集了大量數(shù)據(jù)，這可以通過運(yùn)行 Coilcraft DC-DC 優(yōu)化程序 [1] 看到。圖 3 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器不同工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)圖。左圖適用于 200 kHz 操作，輸入電壓在 80 V 至 130 V 范圍內(nèi)變化。（10 A 時(shí)輸出為 24 V）。

　　圖 3. 相對(duì)于 Coilcraft DC-DC 優(yōu)化器繪制的直流電感器損耗的 LTspice 仿真結(jié)果。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　根據(jù) Coilcraft DC-DC 優(yōu)化器提供的數(shù)據(jù)，您可以從左圖看到損耗如何隨著輸入電壓的增加而增加。紅色曲線顯示直接從LTspice中的電路仿真預(yù)測(cè)的損耗。對(duì)于直流模型，預(yù)測(cè)損耗非常低，并且輸入電壓的變化很小。
　　在右側(cè)圖表中，輸入電壓固定為 130 V（最高耗散電壓），頻率在 100 kHz 至 300 kHz 之間變化。在低頻下，損耗大幅增加。紋波電流更高，磁芯中的磁通偏移也更高。這在直觀上并不明顯，因?yàn)槟?jīng)常會(huì)閱讀聲稱磁損耗會(huì)隨著頻率而增加而不是減少的論文。
　　雖然可以通過 Coilcraft 的軟件獲得電感器損耗的數(shù)據(jù)，但這對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說并不方便。想象一下，如果電路的每個(gè)組件都需要供應(yīng)商提供定制程序來評(píng)估其損耗，那將是一件多么麻煩的事情。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，除非零件具有相當(dāng)準(zhǔn)確的仿真模型，否則您無法出售該零件。這種期望尚未應(yīng)用于磁學(xué)。造成這種情況的原因有很多，但其實(shí)沒必要這樣。
　　降壓轉(zhuǎn)換器電路中的高級(jí)電感器模型
　　圖 4 顯示了更先進(jìn)的電感器仿真模型。除了串聯(lián)直流電阻之外，您還可以看到標(biāo)記為 Rac 的塊。由于鄰近損耗，繞組的電阻隨著頻率的增加而增加。還有一個(gè)塊代表電感器的磁芯損耗。這對(duì)于磁芯材料、使用的匝數(shù)和磁芯尺寸來說是非常具體的。
　　交流電阻和磁芯損耗模型的所有參數(shù)都是借助 RidleyWorks 設(shè)計(jì)軟件得出的[2]。本文稍后將對(duì)此進(jìn)行描述。　　圖 5 將高級(jí)模型的LTspice 仿真生成的數(shù)據(jù)與測(cè)量的制造商數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。測(cè)量值和模擬值之間的偏差非常小。這正是電路設(shè)計(jì)人員想要的——一個(gè)可以預(yù)測(cè)仿真損耗的簡(jiǎn)單模型，就像電路中的所有其他組件一樣。一旦設(shè)計(jì)人員擁有了可信的電路模型，就不再需要使用定制軟件來獲得所需的結(jié)果。您還可以將電路模型置于您喜歡的任何拓?fù)渲?，具有任意電路波形，并期望獲得可靠的結(jié)果。

　　圖 4. 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖中的高級(jí)電感器模型。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  

　　圖 5. 相對(duì)于 Coilcraft DC-DC 優(yōu)化器繪制的高級(jí)電感器模型損耗的 LTspice 仿真結(jié)果。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　繞組鄰近損耗模型
　　需要兩個(gè)元件來匹配電感器的總損耗。第一個(gè)是繞組損耗，它應(yīng)該與頻率相關(guān)。這是通過圖 6 所示的電路圖實(shí)現(xiàn)的，該電路由五個(gè)電感器和五個(gè)電阻器組成。RidleyWorks自動(dòng)選擇電路值以匹配所需的交流電阻特性?！　≡谥绷鲿r(shí)，網(wǎng)絡(luò)的所有電感器都短路，唯一剩下的電阻是 R dc。隨著頻率的增加，電感器的阻抗變得更高，從而依次增加網(wǎng)絡(luò)的電阻。這種類型的電路首先在[4]中提出用于磁性繞組建模，并已被一些精選的研究人員使用多年。它是 RidleyWorks 生成的電路模型的基礎(chǔ)。我們還沒有看到磁性產(chǎn)品制造商對(duì)此有任何使用。

　　圖 6.  Coilcraft 電感器的繞組損耗電路模型。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　先進(jìn)的磁芯損耗模型
　　提供準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)所需的第二個(gè)要素是良好的磁芯損耗模型。您會(huì)在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)許多解決磁芯損耗模擬問題的嘗試，但沒有一個(gè)成為主流?！　D 7 顯示了 RidleyWorks 為示例 Coilcraft 電感器導(dǎo)出的電路模型。這是一組由六個(gè)并聯(lián) RL 分支組成的組，由電感器兩端的電壓驅(qū)動(dòng)。相關(guān)電壓源用于對(duì)磁芯損耗隨幅度的非線性指數(shù)進(jìn)行建模，而 RL 分支則對(duì)適當(dāng)?shù)念l率相關(guān)性進(jìn)行建模。

　　圖 7.Coilcraft 電感器的磁芯損耗電路模型。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  
　　該電路將提供所需的特性 - 電阻值隨頻率而減小，在最低頻率下顯示出最高的磁芯損耗。該模型的進(jìn)一步解釋將包含在本文的下一部分中。