圖 1 顯示了我們將在本文中討論的示例電感器。它是 Coilcraft 的螺旋箔電感器，額定使用電流高達約 20 A。我們花費了大量的時間和精力來提供該組件的詳細損耗特性，可以通過使用他們的 DC-DC 優(yōu)化程序以交互方式找到這些特性?！　∵@些數(shù)據(jù)對于電源設(shè)計人員來說非常有用。這是提供可通過測試數(shù)據(jù)驗證的詳細電路模型的重要一步。

　　具有基本電感器模型的降壓轉(zhuǎn)換器電路

　　圖 2 顯示了帶有電感器的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。請注意，電感器的基本電路模型僅包括直流電阻和固定電感器值。直流電阻值將提供對電感器耗散的非常低的估計。有兩種方法可以評估電感器的性能。從設(shè)計人員的角度來看，最方便的方法是運行LTspice 仿真，只需單擊電感器組件即可查看仿真過程中的損耗。這就是我們可以對原理圖中的所有其他組件執(zhí)行的操作，并且它已成為除磁性元件之外的每個組件的標準。
　　圖 2. 具有 Coilcraft 電感器 DC 參數(shù)的降壓轉(zhuǎn)換器電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]　　評估電感器性能的另一種方法是使用組件制造商為轉(zhuǎn)換器的工作點開發(fā)的定制工具。對于此處使用的電感器，已經(jīng)收集了大量數(shù)據(jù)，這可以通過運行 Coilcraft DC-DC 優(yōu)化程序 [1] 看到。圖 3 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器不同工作點的數(shù)據(jù)圖。左圖適用于 200 kHz 操作，輸入電壓在 80 V 至 130 V 范圍內(nèi)變化。（10 A 時輸出為 24 V）。

　　圖 3. 相對于 Coilcraft DC-DC 優(yōu)化器繪制的直流電感器損耗的 LTspice 仿真結(jié)果。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　根據(jù) Coilcraft DC-DC 優(yōu)化器提供的數(shù)據(jù)，您可以從左圖看到損耗如何隨著輸入電壓的增加而增加。紅色曲線顯示直接從LTspice中的電路仿真預(yù)測的損耗。對于直流模型，預(yù)測損耗非常低，并且輸入電壓的變化很小。
　　在右側(cè)圖表中，輸入電壓固定為 130 V（最高耗散電壓），頻率在 100 kHz 至 300 kHz 之間變化。在低頻下，損耗大幅增加。紋波電流更高，磁芯中的磁通偏移也更高。這在直觀上并不明顯，因為您經(jīng)常會閱讀聲稱磁損耗會隨著頻率而增加而不是減少的論文。
　　雖然可以通過 Coilcraft 的軟件獲得電感器損耗的數(shù)據(jù)，但這對于設(shè)計人員來說并不方便。想象一下，如果電路的每個組件都需要供應(yīng)商提供定制程序來評估其損耗，那將是一件多么麻煩的事情。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，除非零件具有相當準確的仿真模型，否則您無法出售該零件。這種期望尚未應(yīng)用于磁學(xué)。造成這種情況的原因有很多，但其實沒必要這樣。
　　降壓轉(zhuǎn)換器電路中的高級電感器模型
　　圖 4 顯示了更先進的電感器仿真模型。除了串聯(lián)直流電阻之外，您還可以看到標記為 Rac 的塊。由于鄰近損耗，繞組的電阻隨著頻率的增加而增加。還有一個塊代表電感器的磁芯損耗。這對于磁芯材料、使用的匝數(shù)和磁芯尺寸來說是非常具體的。
　　交流電阻和磁芯損耗模型的所有參數(shù)都是借助 RidleyWorks 設(shè)計軟件得出的[2]。本文稍后將對此進行描述?！　D 5 將高級模型的LTspice 仿真生成的數(shù)據(jù)與測量的制造商數(shù)據(jù)進行了比較。測量值和模擬值之間的偏差非常小。這正是電路設(shè)計人員想要的——一個可以預(yù)測仿真損耗的簡單模型，就像電路中的所有其他組件一樣。一旦設(shè)計人員擁有了可信的電路模型，就不再需要使用定制軟件來獲得所需的結(jié)果。您還可以將電路模型置于您喜歡的任何拓撲中，具有任意電路波形，并期望獲得可靠的結(jié)果。

　　圖 4. 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖中的高級電感器模型。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  

　　圖 5. 相對于 Coilcraft DC-DC 優(yōu)化器繪制的高級電感器模型損耗的 LTspice 仿真結(jié)果。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　繞組鄰近損耗模型
　　需要兩個元件來匹配電感器的總損耗。第一個是繞組損耗，它應(yīng)該與頻率相關(guān)。這是通過圖 6 所示的電路圖實現(xiàn)的，該電路由五個電感器和五個電阻器組成。RidleyWorks自動選擇電路值以匹配所需的交流電阻特性?！　≡谥绷鲿r，網(wǎng)絡(luò)的所有電感器都短路，唯一剩下的電阻是 R dc。隨著頻率的增加，電感器的阻抗變得更高，從而依次增加網(wǎng)絡(luò)的電阻。這種類型的電路首先在[4]中提出用于磁性繞組建模，并已被一些精選的研究人員使用多年。它是 RidleyWorks 生成的電路模型的基礎(chǔ)。我們還沒有看到磁性產(chǎn)品制造商對此有任何使用。

　　圖 6.  Coilcraft 電感器的繞組損耗電路模型。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　先進的磁芯損耗模型
　　提供準確的仿真數(shù)據(jù)所需的第二個要素是良好的磁芯損耗模型。您會在文獻中發(fā)現(xiàn)許多解決磁芯損耗模擬問題的嘗試，但沒有一個成為主流。　　圖 7 顯示了 RidleyWorks 為示例 Coilcraft 電感器導(dǎo)出的電路模型。這是一組由六個并聯(lián) RL 分支組成的組，由電感器兩端的電壓驅(qū)動。相關(guān)電壓源用于對磁芯損耗隨幅度的非線性指數(shù)進行建模，而 RL 分支則對適當?shù)念l率相關(guān)性進行建模。

　　圖 7.Coilcraft 電感器的磁芯損耗電路模型。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  
　　該電路將提供所需的特性 - 電阻值隨頻率而減小，在最低頻率下顯示出最高的磁芯損耗。該模型的進一步解釋將包含在本文的下一部分中。