一个多电平逆变电感损耗计算与仿真的例子

电感参数：

磁芯：EE55，3C95，中柱3mm气隙

绕组：0.1mm*800*1 膜包线，中柱8匝，单股线绕

电感量：30uH

拓扑为ANPC-9Level

相关波形计算如下，理想条件，理想波形

电感电压

电感纹波电流

逆变相电压

逆变线电压

一，电感量计算

磁阻法计算电感量

1，中柱1段气隙

2，中柱4段气隙

3，中柱及边柱均有气隙

二，绕组损耗计算

采用平方场微分的方法，以中柱一段气隙为例

绕组分布位置，绕一层，外部空间较大
 

电流激励，采用仿真电感电流波形，包络形状与理想波形有较大差异，对应工频成分有一些畸变，开关成分与计算结果还是很好吻合的。

绕组损耗计算值1.68W

三，Gecko仿真

磁芯尺寸

绕组参数设置，Litz圆线，0.1mm*800*1，每匝线总截面直径4mm

激励输入，同样以仿真电感电流波形作为输入激励

1，中柱1段气隙

损耗结果，绕组高频损耗是0

2，中柱4段气隙

损耗结果，绕组高频损耗是0

3，中柱及边柱均有气隙

损耗结果，绕组高频损耗是0

从如上结果来看，逆变电感这类，工频电流上叠加小纹波高频电流的激励，带来的绕组损耗中是以工频电流损耗为主要部分，高频小纹波电流带来的绕组损耗所占比例较小。这与实际使用中，当开关频率在数十kHz等级，PFC/inverter电感多使用实心粗铜线/扁平线作为绕组是一致的。

如果开关频率更高，比如达到上百kHz及以上，这时候小纹波电流带来的绕组损耗所占比例对应提高，使用Litz线绕组对损耗的降低将是明显的。

四，Maxwell静磁场仿真

磁芯尺寸如下，以中柱一段气隙为例，静磁场仅支持线性磁芯材料。绕组为铜绕组，静磁场不支持Litz材料

截面网格，设置气隙表面网格尺寸0.3mm

绕组网格，设置绕组表面网格尺寸0.2mm

如上网格设置，静磁场几分钟就迭代到1%误差内，共3次迭代

电感量仿真值25.94uH

磁芯中磁感应强度矢量图

五，Maxwell涡流场仿真

涡流场是正弦激励，可设置正弦激励的幅值及频率，可得到电感量、磁芯损耗、绕组损耗等相关输出量。涡流场支持Litz模型及非线性磁芯模型，这里做对应设置。

绕组涡流效应不勾选，因为选用了Litz绕组模型

磁芯损耗勾选

1，磁芯选择PC95_100_BH，后缀BH是指实际BH曲线，非线性

涡流场比静态场耗时稍长，不到5分钟就收敛到1%误差内，

设置了频率扫描，50Hz~64kHz，共6个点，这样结果可以曲线的形式输出，横轴为激励频率

在设置频率范围内，电感量随频率变化不大，26.01uH，与静磁场结果基本一样

LR矩阵参数电阻

磁芯损耗

绕组损耗，绕组损耗结果与预期不符 -- 这里得到不同频率下绕组损耗是一样的，而且StrandedLossAC为0

场图结果，64kHz/0度，绕组截面电流密度分布

场图结果，64kHz/0度，整个绕组电流密度分布

场图结果，64kHz/0度，整个磁芯磁感应强度幅度分布，边沿位置磁感应强度最大

2，磁芯选择PC95_100，无后缀BH，是指线性材料

作为对比，将磁芯设置成线性材料，结果如下

在50Hz~64kHz频率范围内，电感量随频率变化仍然不大，电感量稍小一些，为25.88uH

LR矩阵参数电阻

磁芯损耗

绕组损耗结果同样与预期不符 -- 这里得到不同频率下绕组损耗是一样的，而且StrandedLossAC为0

场图结果，64kHz/0度，绕组截面电流密度分布，和非线性磁芯材料结果差异不大

场图结果，64kHz/0度，整个绕组电流密度分布，与非线性磁芯结果无明显差异

场图结果，64kHz/0度，整个磁芯磁感应强度幅度分布，边沿位置磁感应强度最大

六，Maxwell瞬态场仿真

电流激励采用仿真数据导入的方式，注意修改数据单位

网格映射到静磁场，不再重新剖分网格

这里选择非线性的PC95_100_BH材料

仿真时间40ms，两个工频周期。初始设置每个开关周期20个点，1ms用时约1h45min，预估40ms共耗费70小时。实际上电感的工频时间仿真速度并不慢，只是选择非线性磁芯材料，比线性磁芯材料明显变慢。

调整到每个开关周期8个点，40ms共耗时约30小时，产生73G数据，得到最终的瞬态结果。

输入电流激励

输出电感电压

磁芯损耗

绕组损耗，StrandedLossAC是绕组总损耗，StrandedLoss是直流电阻损耗，二者差值为绕组高频损耗

上图波峰处展开，StrandLossAC比StrandedLoss稍大一点点，说明绕组高频损耗很小。

数据后处理，得到工频周期平均损耗

磁芯损耗17.5mW

绕组总损耗1.49W

绕组直流电阻损耗1.44W，绕组高频损耗50mW，此例可见绕组采用Litz线，电流激励为工频叠加高频纹波时，绕组高频损耗占比是很小的

场图分布，如下为电流工频波峰处场图

整个磁芯，磁感应强度矢量

整个磁芯，磁场强度矢量

磁芯截面，磁感应强度矢量

磁芯截面，磁场强度矢量

磁感应强度幅度分布

绕组截面电流密度，每股线电流均匀分布。由于小纹波的缘故，高频效应很小，这与绕高频损耗占比很小是一致的。

绕组截面电流密度，电流工频过0处，每股线电流仍是均匀分布而且几乎是0。通常来讲，正弦电流过零处，电流斜率最大，此刻绕组高频效应是最大的（可见五中涡流场电流密度分布）。此例没有这个现象，同样是因为小纹波的缘故，高频效应很小。

　审核编辑：汤梓红