开关电源感性器件的宽频带PEEC模型研究

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开关电源沿着高频化和高功率密度的方向不断进步,器件的寄生参数及其带来的电磁干扰问题也日益显现。由铁氧体材料构成的电感和变压器等磁性器件是开关电源中重要的组成部分,对其建立准确的电路模型是开关电源仿真中不可或缺的环节。在电力电子感性器件中,电场和磁场耦合较为紧密。因此,需要将电路、电磁场及计算电磁学等不同的工程学科结合起来才能得到较好的模型效果。部分元等效电路(Partial Element Equivalent Circuit,PEEC)是一种将电路与电磁场理论有机结合的建模方法,得到的具有物理意义的电路模型很适合应用到电力电子领域中。磁性材料具有较强的非线性,目前将PEEC应用在包含磁性材料的建模中还存在一定的技术挑战。本课题以开关电源中含闭合磁芯的环形电感和PCB平面电感为研究对象,将PEEC法用于磁性器件的宽频带模型研究。首先,对器件中的导体与磁体部分进行离散化处理。根据均匀媒质自由空间等效下的麦克斯韦方程组,把媒质空间的源区离散为传导电流源以及满足边界条件需要附加的极化电流源、磁化电流源和极化电荷源。其次,利用部分电阻,部分电感和部分电容的定义将电磁场问题转化为相应的电路问题,得到混合电磁结构的PEEC模型整体方程。在包含磁材料的PEEC模型中,将混合势积分方程与KCL和KVL电路定理结合,推导出磁性器件的端口阻抗特性。根据网格剖分规则,得到剖分元的正交与非正交的几何单元。利用各剖分元的位置信息,并结合相应的数值计算式求出各部分元参数,进而建立完整的PEEC模型。最后编写程序进行模型求解,将计算得到的环形电感和PCB平面电感的端口阻抗特性与实际测试和HFSS仿真得到的端口阻抗特性对比。结果表明在较宽频带内阻抗特性曲线一致性较好,从而验证了PEEC方法对包含磁媒质建模的有效性。本课题建立了开关电源感性器件的PEEC宽频带模型,实现了PEEC方法对包含磁性材料的环形电感的建模。并将PEEC模型应用到PCB平面电感器件的研究,本研究为开关电源中无源器件的电磁分析和建模提供了理论和应用指导及参考。
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