電感參數(shù)：

磁芯：EE55，3C95，中柱3mm氣隙

繞組：0.1mm*800*1 膜包線(xiàn)，中柱8匝，單股線(xiàn)繞

電感量：30uH

拓?fù)錇锳NPC-9Level

相關(guān)波形計(jì)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(xiàn)電壓

一，電感量計(jì)算

磁阻法計(jì)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(jì)算

采用平方場(chǎng)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(lì)，采用仿真電感電流波形，包絡(luò)形狀與理想波形有較大差異，對(duì)應(yīng)工頻成分有一些畸變，開(kāi)關(guān)成分與計(jì)算結(jié)果還是很好吻合的。

繞組損耗計(jì)算值1.68W

三，Gecko仿真

磁芯尺寸

繞組參數(shù)設(shè)置，Litz圓線(xiàn)，0.1mm*800*1，每匝線(xiàn)總截面直徑4mm

激勵(lì)輸入，同樣以仿真電感電流波形作為輸入激勵(lì)

1，中柱1段氣隙

損耗結(jié)果，繞組高頻損耗是0

2，中柱4段氣隙

損耗結(jié)果，繞組高頻損耗是0

3，中柱及邊柱均有氣隙

損耗結(jié)果，繞組高頻損耗是0

從如上結(jié)果來(lái)看，逆變電感這類(lèi)，工頻電流上疊加小紋波高頻電流的激勵(lì)，帶來(lái)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(lái)的繞組損耗所占比例較小。這與實(shí)際使用中，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在數(shù)十kHz等級(jí)，PFC/inverter電感多使用實(shí)心粗銅線(xiàn)/扁平線(xiàn)作為繞組是一致的。

如果開(kāi)關(guān)頻率更高，比如達(dá)到上百kHz及以上，這時(shí)候小紋波電流帶來(lái)的繞組損耗所占比例對(duì)應(yīng)提高，使用Litz線(xiàn)繞組對(duì)損耗的降低將是明顯的。

四，Maxwell靜磁場(chǎng)仿真

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

截面網(wǎng)格，設(shè)置氣隙表面網(wǎng)格尺寸0.3mm

繞組網(wǎng)格，設(shè)置繞組表面網(wǎng)格尺寸0.2mm

如上網(wǎng)格設(shè)置，靜磁場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)度矢量圖

五，Maxwell渦流場(chǎng)仿真

渦流場(chǎng)是正弦激勵(lì)，可設(shè)置正弦激勵(lì)的幅值及頻率，可得到電感量、磁芯損耗、繞組損耗等相關(guān)輸出量。渦流場(chǎng)支持Litz模型及非線(xiàn)性磁芯模型，這里做對(duì)應(yīng)設(shè)置。

繞組渦流效應(yīng)不勾選，因?yàn)檫x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(shí)際BH曲線(xiàn)，非線(xiàn)性

渦流場(chǎng)比靜態(tài)場(chǎng)耗時(shí)稍長(zhǎng)，不到5分鐘就收斂到1%誤差內(nèi)，

設(shè)置了頻率掃描，50Hz~64kHz，共6個(gè)點(diǎn)，這樣結(jié)果可以曲線(xiàn)的形式輸出，橫軸為激勵(lì)頻率

在設(shè)置頻率范圍內(nèi)，電感量隨頻率變化不大，26.01uH，與靜磁場(chǎng)結(jié)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(jié)果與預(yù)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(chǎng)圖結(jié)果，64kHz/0度，繞組截面電流密度分布

場(chǎng)圖結(jié)果，64kHz/0度，整個(gè)繞組電流密度分布

場(chǎng)圖結(jié)果，64kHz/0度，整個(gè)磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度幅度分布，邊沿位置磁感應(yīng)強(qiáng)度最大

2，磁芯選擇PC95_100，無(wú)后綴BH，是指線(xiàn)性材料

作為對(duì)比，將磁芯設(shè)置成線(xiàn)性材料，結(jié)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(jié)果同樣與預(yù)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(chǎng)圖結(jié)果，64kHz/0度，繞組截面電流密度分布，和非線(xiàn)性磁芯材料結(jié)果差異不大

場(chǎng)圖結(jié)果，64kHz/0度，整個(gè)繞組電流密度分布，與非線(xiàn)性磁芯結(jié)果無(wú)明顯差異

場(chǎng)圖結(jié)果，64kHz/0度，整個(gè)磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度幅度分布，邊沿位置磁感應(yīng)強(qiáng)度最大

六，Maxwell瞬態(tài)場(chǎng)仿真

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

網(wǎng)格映射到靜磁場(chǎng)，不再重新剖分網(wǎng)格

這里選擇非線(xiàn)性的PC95_100_BH材料

仿真時(shí)間40ms，兩個(gè)工頻周期。初始設(shè)置每個(gè)開(kāi)關(guān)周期20個(gè)點(diǎn)，1ms用時(shí)約1h45min，預(yù)估40ms共耗費(fèi)70小時(shí)。實(shí)際上電感的工頻時(shí)間仿真速度并不慢，只是選擇非線(xiàn)性磁芯材料，比線(xiàn)性磁芯材料明顯變慢。

調(diào)整到每個(gè)開(kāi)關(guān)周期8個(gè)點(diǎn)，40ms共耗時(shí)約30小時(shí)，產(chǎn)生73G數(shù)據(jù)，得到最終的瞬態(tài)結(jié)果。

輸入電流激勵(lì)

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(kāi)，StrandLossAC比StrandedLoss稍大一點(diǎn)點(diǎn)，說(shuō)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(jiàn)繞組采用Litz線(xiàn)，電流激勵(lì)為工頻疊加高頻紋波時(shí)，繞組高頻損耗占比是很小的

場(chǎng)圖分布，如下為電流工頻波峰處場(chǎng)圖

整個(gè)磁芯，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量

整個(gè)磁芯，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量

磁芯截面，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量

磁芯截面，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量

磁感應(yīng)強(qiáng)度幅度分布

繞組截面電流密度，每股線(xiàn)電流均勻分布。由于小紋波的緣故，高頻效應(yīng)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(guò)0處，每股線(xiàn)電流仍是均勻分布而且?guī)缀跏?。通常來(lái)講，正弦電流過(guò)零處，電流斜率最大，此刻繞組高頻效應(yīng)是最大的（可見(jiàn)五中渦流場(chǎng)電流密度分布）。此例沒(méi)有這個(gè)現(xiàn)象，同樣是因?yàn)樾〖y波的緣故，高頻效應(yīng)很小。

審核編輯：湯梓紅