MHz高频电感分布电容建模及优化设计方案

 

研究背景

MHz电力电子变换器以其体积小、重量轻、模块化集成度高等优点，被广泛应用于航空航天、移动通信、微型机器人等国家重大战略领域。高频电感在电力电子变换器中承担存储能量、提供谐振元素、滤波等关键作用，是实现MHz高功率密度电能变换的基础元件。随着功率密度的进一步提高，高频电感内部空间减小，分布电容急剧增大，导致电感工作频段下降并引发高频振荡、电磁干扰等诸多问题。因此，迫切需要对电感分布电容进行建模以采取相应手段减小或利用分布电容。

成果简介

本成果针对高频电感中的分布电容问题提出了建模及优化设计方案。探究了磁芯内部电场分布规律及建模方法；揭示了浮空磁芯电位的求解方法，推导了磁芯与绕组之间、绕组内部分布电容的解析公式；以此为基础提出了高频电感的分布电容及高频电阻联合优化设计流程。

亮点提炼

1.    磁芯能量电容建模

传统MnZn铁氧体磁导率、介电常数高，磁芯能量电容可以忽略。而高频NiZn铁氧体具有磁导率及介电常数较低、磁芯内部存在电场分布、电场能量不可忽略等特性，为此提出了用于等效NiZn铁氧体内部电场能量的磁芯能量电容建模方法。通过求解拉普拉斯方程和边界条件，给出了磁芯能量电容的解析表达式，可适用于多种不同结构磁芯。

图1    电感中的电容示意图及NiZn磁芯内部电场分布

[1] Zhan Shen, Wu Chen,Hongbo Zhao, Long Jin, Alex J. Hanson, David J. Perreault, Charles R. Sullivan,Frede Blaabjerg, and Huai Wang, " Core Energy Capacitance of NiZnInductors," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 38, no. 4, pp.4235-4240, Apr. 2023.

2.    绕组电容、绕组与磁芯间电容建模

传统绕组电容公式针对理想绕组排列形式，实际应用中存在较大误差，因此针对不同实际绕制方法及绕制形式的绕组提出了绕组电容建模方法；针对磁芯接地、浮空、含屏蔽层等多种工况，提出了绕组与磁芯间电容解析模型。

图2    不同绕制形式绕组及绕组与磁芯间电容示意图 

[2] Zhan Shen andHuai Wang, "Parasitics of Displacement Windings in Inductors andTransformers" IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 02, pp.1994 - 2008, Feb. 2021.

3.    分布电容与交流电阻联合优化设计

利用分布电容解析模型以及Dowell高频电阻公式，提出了基于Pareto优化方法的分布电容及交流电阻联合优化方法，实验验证所设计电感损耗小、引起电路电流振荡小，这为设计低损耗、低电容的电感绕组提供了新思路。

图3    分布电容-交流电阻联合优化方法及优化结果(黑色波形iL,c为优化前电感电流，绿色波形iL为优化后电感电流)

[3] Zhan Shen,Huai Wang, Yanfeng Shen, Zian Qin, and Frede Blaabjerg, "An Improved StrayCapacitance Model for Inductors, " IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 34, no. 11, pp. 11153-11170, Nov. 2019.  

前景与应用 

高频电感的分布电容建模及优化设计技术可以拓宽高频电感的工作带宽，有利于设计体积小、损耗低、分布电容小的高性能电感及EMI滤波器，促进MHz电力电子变换技术的发展。

完成人与研究团队介绍

沈湛

沈湛，博士，东南大学上岗副研究员，本科、硕士、博士分别毕业于南京航空航天大学、东南大学及丹麦奥尔堡大学，先后就职于ABB集团北京全球研发中心和丹麦奥尔堡大学，主要研究方向为电力电子磁元件及可靠性。获得2022年度 IEEE Transactions on PowerElectronics Outstanding Reviewer Award、丹麦Otto Monsteds基金会研究奖、丹麦奥尔堡大学博士研究生院奖学金、IEEE ICRERA最佳论文奖等奖项，主持国家自然科学基金青年项目、企业合作等项目5项，参与多个中、丹、德、美基金项目，任IEEE丹麦奥尔堡学生分会协会秘书、IEEE IPEMC、IEEE CIEEC、IEEE PEDG国际会议分会场主席。

编辑：黄飞