用于电力应用中的高功率空气间隙直流电感器的损耗评估

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Loss evaluation for high-power air-gapped DC inductors used in power applications

　　

小林纪文|松森宏明|高野康志|和田圭二

日本爱知县名古屋工业大学电气与机械工程系

摘要

本文提出了一种用于电力电子转换器中的高功率空气间隙直流电感器的损耗评估方法，特别是针对降压和升压斩波型DC-DC转换器。在高功率应用中，由于磁芯尺寸较大以及存在空气间隙的影响，空气间隙直流电感器的损耗特性变得越来越复杂。然而，据作者所知，目前尚未建立能够充分捕捉这些特性的定量损耗评估方法。为了解决这个问题，所提出的方法通过明确考虑直流偏置电流下的铁损以及由空气间隙产生的边缘磁通引起的铜损来评估高功率空气间隙直流电感器的损耗。在所提出的框架中，使用有限元分析软件分析了包括空气间隙在内的电感器磁场分布，从而实现了能够考虑磁通密度不均匀性的损耗评估。此外，通过应用Play模型结合损耗图方法来评估直流偏置条件下的铁损。另外，由空气间隙附近的泄漏磁通引起的高频铜损被单独作为边缘损耗进行评估。通过与实际电感器在25、50、75和100 A平均电流下的实验测量结果进行比较，验证了所提出方法的有效性。

引言

近年来，随着电池储能系统、光伏（PV）转换系统和混合动力电动汽车（HEV）动力系统等电力电子应用的扩展，能够进行高功率运行的空气间隙直流电感器的重要性日益增加[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在这些应用中，对更高的效率和更高的功率密度有强烈需求，因此准确评估电感器损耗成为设计过程中的关键问题。

图1(a)展示了包含斩波型DC-DC转换器和电感器的HEV动力系统电路配置示例[1]、[2]。此类转换器中直流电感器的激励波形是非正弦的，通常包含矩形电压分量。相比之下，基于材料数据表的常规铁损评估假设激励为正弦波，这可能导致实际工作条件与估计损耗之间的差异[6]、[7]、[8]。此外，随着直流偏置电流的增加，磁化状态会发生变化，从而导致铁损的显著变化[9]、[10]。

为了解决非正弦激励问题，已经提出了一些基于Steinmetz类型公式的方法，例如改进的广义Steinmetz方程（i²GSE）[10]、[11]、[12]和损耗图方法[13]、[14]、[15]。对于没有空气间隙的小型环形磁芯，磁通密度分布可以视为均匀的，并且已经证明了在转换器激励下的铁损预测的准确性。在这些条件下，基于损耗图或i²GSE的方法可以为低功率转换器设计提供足够的精度[10]、[14]、[15]。

然而，在本研究中针对的高功率空气间隙直流电感器中，磁芯通常较大且非环形（例如UU型磁芯），并且引入了空气间隙以实现在大直流偏置下的所需电感。在这些结构条件下，磁芯中的磁通密度变得空间不均匀，如图1(b)所示[16]、[17]、[18]。因此，与铁损相关的局部小环路轨迹变得依赖于位置，常规铁损计算方法所基于的均匀磁通假设不再成立。因此，适用于小型磁芯的常规铁损计算方法不能直接应用于大型磁芯空气间隙直流电感器的设计。

此外，如图1(c)所示，在空气间隙附近插入空气间隙会导致磁通泄漏，从而产生额外的高频绕组损耗，通常称为边缘损耗。已经研究了用于减轻这种边缘损耗的绕组结构和材料[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。这种与边缘相关的损耗机制是高功率空气间隙直流电感器的特征，常规损耗评估方法并未充分考虑这一点。

因此，本文提出了一种统一的高功率空气间隙直流电感器损耗评估方法，该方法明确考虑了实际转换器工作条件下的上述损耗机制。本文的主要贡献总结如下：

(1) 通过结合基于Play模型的BH曲线轨迹提取（在有限元方法（FEM）模拟中）和从相同材料的小型无间隙环形磁芯获得的铁损数据图，可以评估高功率空气间隙直流电感器中的铁损，从而实现非均匀磁通密度分布下的定量损耗评估。

(2) 通过使用频域分析和具有冻结磁导率分析功能的3D FEM，可以将与边缘磁通相关的绕组损耗与常规交流铜损区分开来；这一能力对于空气间隙和绕组设计非常有用。

通过使用在25、50、75和100 A平均电流下的原型电感器进行实验，验证了所提出的方法的有效性。

本文的其余部分组织如下。第2节定义了目标转换器的工作条件和电感器规格。第3节描述了所提出的损耗评估方法。第4节介绍了实验设置，第5节比较了计算和测量的损耗结果，第6节给出了结论。

章节片段

目标DC-DC转换器和空气间隙直流电感器规格

本节定义了本研究中考虑的目标DC-DC转换器和空气间隙直流电感器。描述了工作条件和几何规格，以明确确定所提出的损耗评估方法的分析目标。

概述和关键思想

图3和图4总结了所提出的损耗评估程序。通过分别估计磁芯中的铁损和绕组中的铜损（包括与边缘磁通相关的部分）来评估总电感器损耗。

高功率空气间隙电感器的主要难点在于，由于空气间隙和磁芯尺寸较大，磁芯中的磁通密度变得空间不均匀。在这种条件下，磁芯内的局部磁化状态会发生变化，从而导致铁损

大容量空气间隙直流电感器损耗测量的实验设置

图5(a)显示了本研究中使用的实验设置的外部视图，图5(b)展示了测量电路的配置。电路由左侧的降压斩波器和右侧的升压斩波器组成，并配备了将未使用的功率返回电源的再生功能。被测电感器（DUT）安装在电路的左侧，并通过降压斩波器操作进行激励。这种配置能够实现稳定的损耗

计算和测量损耗结果的比较

图6和表1显示了从实验测量和分析中获得的电感器损耗结果。图6的横轴表示平均电感器电流，纵轴表示总电感器损耗。图中，橙色条形表示铜损（直流铜损和不含边缘损耗的交流铜损之和），绿色条形表示边缘损耗，灰色条形表示铁损。黑色条形表示铁损和

结论

本文提出了一种用于高功率运行的空气间隙直流电感器的统一损耗评估方法，能够全面评估铁损、铜损和边缘损耗。在所提出的方法中，通过结合FEM分析和损耗图方法，实现了考虑磁通密度不均匀性的铁损评估。此外，由空气间隙附近的磁通泄漏引起的边缘损耗被单独

CRediT作者贡献声明

小林纪文：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理。松森宏明：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。高野康志：撰写——审阅与编辑、监督、数据管理。和田圭二：撰写——审阅与编辑、监督，

资金来源

本工作得到了MEXT电力电子创新核心技术创建计划的资助，授权编号JPJ009777。

未引用的参考文献

[35]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢Fine Sinter Co., Ltd.对用于本研究的磁芯制造提供的支持。