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电力电子基础-bluefairy
第14章电感设计
本章节将应用Kg方法来探讨诸如电感滤波器的磁性元件的设计。这种方式,预先定义最大磁通量密度Bmax,设计该元素来实现一个给定的铜损。
电感滤波器的基本设计将在14.1和14.1.5章节中讨论。在电感滤波器的应用中,得到所需的电感、防止饱和、并实现可接受的低直流绕组阻抗和铜损是非常必要的。当直流铜损和绕组阻抗作为主要约束条件[1,2]时,几何常数Kg用来衡量磁芯的有效磁尺寸。电感滤波器的设计,使用的磁芯需要选择足够大的Kg,然后计算所需的间隙、圈数和线径。这样就给出了一个简单的逐步设计滤波器电感的过程。普通铁芯形状的Kg值的列表见附件D。
14.3章节涵盖了Kg方法的扩展部分-多绕组原理。在多绕组的应用中,优化绕组线径是非常重要的,这样可以降低整体的铜损。同时,写出一个峰值磁通量密度与实际波形或与期望感值之间的表达式也是必要的。这样,又给出了一个逐步设计变压器的方法。
(a)
(b)
Fig.14.1FilterinductoremployedinaCCMbuckconverter:(a)cireuitschematic,(b)inductorcurrentwave-form.
(b)
Flg.14.2Filterinductor:(a)structure,(b)magneticcircuitmodel.
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本章节Kg方法的目的在于一个已知铜损的磁性元件的设计。在Kg方法中,磁损并没有特别指出,且Bmax是已知的固定值。在下个章节中,通量将作为一个优化设计变量来进行讨论。这将要求降低整个损耗(铜损+磁损)。
14.1滤波器电感设计限制条件
图.14.1(a)表述了使用在CCM降压变换器中的滤波电感。在此项应用中,通常选用那些电感电流的峰峰值△i是满载电感电流DC分量I的一小部分,如图14.1(b)所示。如图14.2中所示,使用足够大的气隙来防止由峰值电流I+△i产生的磁饱和。
我们来考虑图14.1和14.2中滤波电感的设计。假设,磁损或近似损耗可以忽略,因此电感损耗依赖于低频铜损耗。
所以电感模型的等效电路如图14.3所示,其中R代表绕组的直流阻抗。希望可以得到一个给定的电感L和给定的绕组阻抗R。在最严酷的条件下,施加给定的峰值电流Imax,此时,电感不应该出现饱和。
Fig.14.3Filterinductorequivalentcircuit.
Pcu=IRMsR(14.1)
电感绕组阻抗对转换效率和输出电压的影响见第3章节。
假设,电感拓扑等价于图14.4(a)。等效磁回路如图14.4(b)所示。磁芯磁阻Rc和气隙磁阻Rg为:
(14.2)
(a)(b)
Fig.14.4Filterinductor;(a)assumedgeometry,(b)magneticcircuit
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其中,lc是磁芯磁回路长度,Ac是磁芯横截面积,μc是磁芯磁导率,lg是气隙长度。假设,磁芯和气隙有相同的横截面积。由图14.4(b)得
nI=?(Rc+Rg)(14.3)
通常,Rc《Rg,所以,等式(14.3)可以近似于
nl≈?Rg(14.4)
电气间隙决定了电感的特性。以下可以定义四个设计必要条件。
14.4.1最大通量密度
给出一个峰值绕组电流Imax,期望它可以操作在最大磁通量密度Bmax下,所选择的Bmax的值应小于最严酷条件下磁芯的饱和磁通量密度。将?=BAc带入等式(14.4),得出,
nI=BAcRg
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