高频磁元件损耗测量技术研究

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在过去的十年中,随着宽禁带材料应用于功率半导体器件中,使得功率半导体器件的耐压、体积、频率、损耗等性能得到了很大的提升,进一步推动了功率变换器向更高频率与更高功率密度方向发展。然而,功率变换器中磁性元件的发展相对于半导体器件比较缓慢,因此有必要深入研究高频磁性材料的特性。由于磁心材料具有非线性特征,高频磁性材料的损耗一直是学术界和业界的研究难点和热点之一。本文针对磁元件损耗的测量技术展开了研究,对交流功率测量法在高频领域的应用进行了深入研究,主要研究内容以及取得的成果包括:首先,量热测量法作为一种传统的损耗测量方法,从热量的角度利用介质温度的变化实现损耗的测量,该方法不依赖于被测件的电气参数,可以实现高频磁元件损耗的测量,但要实现准确的损耗测量需要复杂的量热装置和严格的定标来消除各种误差因素,通常用于其他测量方法的实验验证。本文提出了一种将损耗预测和温度跟踪相结合的量热测量方法,采用Lab VIEW建立了具有人机交互功能的自动测量装置,控制策略中加入了被测件损耗预测算法,使得测量装置可以实现不同被测件损耗的测量,相较于其他的量热测量法,解决了不同被测件损耗与参考电阻功率不匹配导致跟踪失调的问题,提高了测量精度。最后通过实验验证了测量装置的功能和精度。其次,研究交流功率测量法在高频工况下对磁元件阻抗角比较敏感的问题,深入分析交流功率测量法的误差来源,找到高频工况下交流功率测量法误差大的两个主要影响因素相位差及其测量误差。提出一种采用无感电阻进行相位差误差补偿的测量方法,可以克服相位差的测量误差对高频磁元件损耗测量的影响,分析新测量方法的工作原理和测量电路,通过求解无感电阻和磁元件损耗的测量公式,抵消了相位差的测量误差,得到新的高频磁元件损耗测量公式。进一步分析了新测量方法的影响因素以降低其影响。最后,根据测量原理建立实验平台。利用提出的测量方法对三个不同的空心电感样品进行了测量,并将测量结果与阻抗测量法进行对比验证,在200k Hz-1.2MHz频率范围内其最大误差为8.92%,满足业界对磁元件损耗评估的要求。进一步,采用提出的测量方法对带磁心的高频磁元件损耗进行测量,采用建立的温度跟踪量热法装置进行验证,最终测试的结果表明,提出的交流功率补偿测量方法可以有效的提高测量精度,实现100k Hz-1MHz频率正弦波励磁下磁元件损耗的测量误差在10%以内。
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