高频功率电感器的损耗20160812-邵革良

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710992677.1(22)申请日 2017.10.23(71)申请人 华北电力大学地址 102206 北京市昌平区朱辛庄北农路2号(72)发明人 李琳　张希蔚　(74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246代理人 陈波(51)Int.Cl.H01F 27/28(2006.01)H01B 7/30(2006.01)(54)发明名称一种降低高频变压器绕组损耗的方法(57)摘要本发明属于电力传输技术领域的一种降低高频变压器绕组损耗的方法。

该方法为在铜导线的绝缘层外引入一层磁性薄膜；其中磁性薄膜由细颗粒磁粉和硅油组成，通过喷雾的方式涂覆到绝缘层表面；本发明提供的方法简单高效，能够有效降低导线的高频交流阻抗，从而减少高频变压器的绕组损耗。

权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 107895640 A 2018.04.10C N 107895640A1.一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述方法为在铜导线的绝缘层外覆上一层磁性薄膜；其中，绝缘层为聚酰亚胺；磁性薄膜由磁性粉末和粘合剂按照质量比1：(1～4)混合，使铜导线为具有铁磁覆层的低损耗导线。

2.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述磁性粉末和粘合剂质量比优选为1：(2～3.5)。

3.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述磁性粉末为平均直径2.56μm的细颗粒铁粉。

4.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述粘合剂为硅油。

5.根据权利要求4所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，所述硅油优选为甲基硅油。

6.根据权利要求1所述的一种降低高频变压器绕组损耗的方法，其特征在于，磁覆层厚度为≥2.56μm尽可能薄的厚度。

绕组高频效应及其对损耗的影响1.集肤效应1.1集肤效应的原理图1.1表示了集肤效应的产生过程。

图中给出的是载流导体纵向的剖面图，当导体流过电流（如图中箭头方向）时，由右手螺旋法则可知，产生的感应磁动势为逆时针方向，产生进入和离开剖面的磁力线。

如果导体中的电流增加，则由于电磁感应效应，导体中产生如图所示方向的涡流。

由图可知：涡流的方向加大了导体表面的电流，抵消了中心线电流，这样作用的结果是电流向导体表面聚集，故称为集肤效应。

在此引进一个集肤深度〈skin depth〉的概念，此深度的电流密度大小恰好为表面电流密度大小的1/e倍：一般用集肤深度Δ来表示集肤效应，其表达式为：(1.1)其中：γ为导体的电导率，μ为导体的磁导率，f为工作频率。

图1.1.集肤效应产生过程示意图图1.2.高频导体电路密度分布图高频时的导体电流密度分布情形，大致如图1.2所示，由表面向中心处的电流密度逐渐减小。

由上图及式1.1可知，当频率愈高时，临界深度将会愈小，结果造成等效阻值上升。

因此在高频时，电阻大小随着频率而变的情形，就必须加以考虑进去。

1.2影响及应用在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。

此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。

在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。

考虑到交流电的集肤效应，为了有效地利用导体材料和便于散热，发电厂的大电流母线常做成槽形或菱形母线；另外，在高压输配电线路中，利用钢芯铝绞线代替铝绞线，这样既节省了铝导线，又增加了导线的机械强度，这些都是利用了集肤效应这个原理。

集肤效应是在讯号线里最基本的失真作用过程之一，也有可能是最容意被忽略误解的。

与一般讯号线的夸大宣传所言,集肤效应并不会改变所有的高频讯号,并且不会造成任何相关动能的损失。

正好相反，集肤效应会因传导体的不同成分，在传递高频讯号时有不连贯的现象。

电容式电压互感器介质损耗tanδ％测试方法分析与验证史纯清【摘要】针对一起110 kV电容式电压互感器在预防性试验过程中出现的介质损耗超标问题,对整体状态下CVT的电容分压器电容及介损的测量方法进行了探索和验证,得出了用整体测试CVT串联后的总电容和介损的方法来判断CVT的好坏是不科学的,对产生误差的原因进行了分析,总结了测量中的有关问题,并就如何提高数据正确程度提出一些建议.【期刊名称】《贵州电力技术》【年(卷),期】2017(020)003【总页数】4页(P55-57,67)【关键词】电容式电压互感器;介质损耗;自激法【作者】史纯清【作者单位】都匀供电局,贵州都匀 558000【正文语种】中文【中图分类】TM451电容式电压互感器(以下简称CVT)，在变电站的母线和线路上都获得了广泛应用。

由于设备处于高电压运行环境，其绝缘状态除受外部潮气和污秽侵蚀的影响，还会遭到系统操作或雷电等过电压的侵害，于是需要对CVT进行常规预防性试验，测量其介质损耗tanδ%和电容量，诊断其运行状态，以保证其安全、准确、可靠地运行，这成为绝缘监督的一项重要任务。

通过一起110 kV线路A相CVT主电容C1介质损耗tanδ%超标，对整体状态下CVT试验方法进行了比较，得出对CVT的进行自激法测试的必要性。

为了今后更加规范试验方法，确保测试数据的准确性。

110 kV CVT为叠装式结构，由电容分压器和电磁单元构成，其电气原理图如图1所示。

电容分压器由主电容C1和分压电容C2组成。

电磁单元位于下节的油箱内，由中间变压器T、补偿电抗器L、阻尼器D组成。

二次端子laln、dadn、电容分压器低压端N和中间变压器一次绕组尾端X，位于端子箱内。

电容量和介质损耗的测量是CVT预防性试验的主要项目，准确测定对发现绝缘的某些缺陷很有效，但因CVT 结构上的特点，试验时易出现加压不合理、试验方法不当等问题，从而造成测量不准确而造成误判断。

电力电子器件损耗的测试与计算研究夏兴国【摘要】电力电子器件是功率变换装置系统的主要组成部分，在工作中会产生功率损耗，降低了能量转换效率，损耗过大还会影响到器件自身安全和系统的性能指标。

以Buck电路为对象作为器件IGBT损耗测试的实验平台，设定了几种器件损耗的主要影响因素，并建立基准值。

通过这些影响因素的来同取值对IGBT反复测试，测出示波器中IGBT工作时的电压和电流波形后，转化成数据的方式来保存输出结果到计算机，利用算法编程来计算出相应损耗功率值。

最后，对影响损耗的相关因素进行分析和总结。

%Power electronic devices produced power loss in its work, which was the main component of the power converter system, and reduced the energy conversion efficiency, excessive loss also menaced the device's own security and performance indicators. The experimental platform of the IGBT loss test based on the Buck circuit, and the main influencing factors are set up, and the reference value is established. The voltage and current waveforms of the IGBT in the oscilloscope are measured after the IGBT losses are repeated testing with the different values of the influence factors, and saved the output of the data to the computer, used the algorithm programming to calculated the corresponding loss power value. In the end, the related factors affecting the loss are analyzed and summarized.【期刊名称】《齐齐哈尔大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】电力电子器件;IGBT;开关损耗;功率损耗;测试【作者】夏兴国【作者单位】马鞍山职业技术学院，安徽马鞍山 243031【正文语种】中文【中图分类】TP301.6随着电力电子器件开关频率的提高和开关容量的增加，如何正确计算出器件工作的功率损耗，对选取合适的器件及散热装置、电路拓扑和优化策略中都起到了重要作用。

常见器件损耗计算方法----开关电源电磁元件类输入滤波器 差模电感器以铜损为主，器件工作频率低，故磁损忽略哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu = (工作频率低，忽略趋肤效应；对称绕制，忽略邻近效应)共模电感器以铜损为主，由于噪声的Vt 值小，故磁损忽略哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu = (工作频率低，忽略趋肤效应；对称绕制，忽略邻近效应)PFC 电路 PFC 电感器以铜损为主，磁损为副，磁芯磁导率/工作状态表现为增量磁导率，即在一定偏置磁场下叠加一振幅较小的交变磁场；磁芯损耗只能近似采用标准功耗测试的一定频率和工作磁密下的正弦波损耗进行计算；哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max ，磁芯体积Ve 、电感量L哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS 、 最大电流峰值：低压输入时峰值处的纹波电流di 、工作频率f铜损计算：工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu =附：若考虑趋肤效应的影响，按下式进行趋肤效应下的电阻计算 (圆铜线按直径，铜皮或扁平线按厚度)：30038.00035.096.0x x R R dcac++= )20(00393.01-+=T fdx d 线径(inch) f 工作频率(Hz) T 工作温度(℃)磁损计算：工作时的工作磁密最大值：AeN LdidB Ae dB N Ldi ∙=→∙∙= L 是工作状态时的电感量，磁芯100℃下的损耗公式，也可通过查磁芯损耗图获得相同信息(损耗公式来自于此)： 铁氧体类PC40相当材：d c Fe dB af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz铁氧体类PC44相当材：d c Fe dB af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz粉芯材料相当材：粉芯材料由于均匀气隙分布，我们认为损耗值与温度无关；FeSiAl 粉芯材料损耗公式--损耗与磁导率无关：46.10.2dB fP Fe = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz附：参考损耗曲线图—推导损耗公式：查磁芯手册中对应磁芯的体积Ve ，计算功耗Ve P P Fe Core ∙= P core 磁芯损耗mW P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 Ve 磁芯体积mm 3总损耗P Total 为Core Cu Total P P P +=DC~DC 电路 谐振电感器以磁损为主，铜损为副，不考虑邻近效应磁芯磁导率/工作状态表现为振幅磁导率，即交变磁场单向或双向振幅大的磁导率； 磁芯损耗只能近似采用标准功耗测试的一定频率和工作磁密下的正弦波损耗进行计算；哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max ，磁芯体积Ve 、电感量L哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS 、 (最高)工作频率f铜损计算：工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu =附：若考虑趋肤效应的影响，按下式进行趋肤效应下的电阻计算 (圆铜线按直径，铜皮或扁平线按厚度)：30038.00035.096.0x x R R dcac++= )20(00393.01-+=T fdx d 线径(inch) f 工作频率(Hz) T 工作温度(℃)磁损计算：工作时的工作磁密最大值：AeN LdidB Ae dB N Ldi ∙=→∙∙= L 是工作状态时的电感量，由于谐振电感器的电感量要求基本不变化，与来料的承认书要求一致；di 取电感器输入有效电流值I RMS ；dB 是双向工作状态，故工作时的磁密取值为2Bm ，所以以下的磁芯损耗取值为Bm磁芯100℃下的损耗公式，也可通过查磁芯损耗图获得相同信息(损耗公式来自于此)： 铁氧体类PC40相当材：dm c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz铁氧体类PC44相当材：d m c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3dB 工作磁密kG f 工作频率kHz粉芯材料相当材：粉芯材料由于均匀气隙分布，我们认为损耗值与温度无关； MMP –26材粉芯材质：55.225.1437.5dB f P Fe = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHzMMP –60材粉芯材质：24.241.1625.0dB f P Fe = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz查磁芯手册中对应磁芯的体积Ve ，计算功耗Ve P P Fe Core ∙= P core 磁芯损耗mW P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 Ve 磁芯体积mm 3总损耗P Total 为Core Cu Total P P P +=主变压器以磁损为主，铜损为副，考虑邻近效应磁芯磁导率/工作状态表现为振幅磁导率，即交变磁场单向或双向振幅大的磁导率； 磁芯损耗只能近似采用标准功耗测试的一定频率和工作磁密下的正弦波损耗进行计算； 由于方波的损耗要比正弦波损耗低10%，故损耗可降低10%；哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下原副边直流电阻值R 0 Max ，磁芯体积Ve 哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下原副边直流电阻值R 0、占空比Dmax 、(最高)工作频率f铜损计算：工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu =附：若考虑趋肤效应的影响，按下式进行趋肤效应下的电阻计算 (圆铜线按直径，铜皮或扁平线按厚度)：30038.00035.096.0x x R R dcac++= )20(00393.01-+=T fdx d 线径(inch) f 工作频率(Hz) T 工作温度(℃)邻近效应系数：为了简化计算，我们通过以下绕制方式进行系数增加损耗，条件为1. d/T=<1 (d/T 是导体直径与趋肤深度之比，d ：导体直径(mm) T ：趋肤深度(mm))2. 原边一次绕制完成层数<2层3. 副边一次绕制层数<3层S RMSS P RMSP cuTotal R I R I P 11021102+=磁损计算：通过法拉第定律，推导工作磁密dtdB NAe dt d NV ==φ双向磁化时的工作磁密为 Bm dB 2=NAeVTonBm 2=，移向全桥时，NAef VD Bm MAX 4=单向磁化时的工作磁密为NAeVTonBm dB ==磁芯100℃下的损耗公式，也可通过查磁芯损耗图获得相同信息(损耗公式来自于此)： 铁氧体类PC40相当材：d m c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3dB 工作磁密kG f 工作频率kHz铁氧体类PC44相当材：dm c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3dB 工作磁密kG f 工作频率kHz查磁芯手册中对应磁芯的体积Ve ，计算功耗Ve P P Fe Core ∙= Core P 磁芯损耗mW P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 ，Ve 磁芯体积mm 3总损耗P Total 为Core Cu Total P P P +=附：邻近效应分析对计算圆形截面导体中，由邻近效应引起的损耗为：cP Gr Id B w P ρ12814159.3422=P p ：邻近效应损耗；w ：磁场角速度；B ：磁感应强度；l ：导体长度；d ：导体直径； Gr ：邻近效应因子；P C ：导体电阻率；邻近效应因子Gr 是无量纲因子，它的变化规律仅适合于圆形截面积导体。

高频变压器磁损计算!一、引言磁性元件是开关电源设备中的重要元件，它对开关电源设备的体积、效率有很大影响。

在高频下，磁性元件损耗占整机的比重很大。

因此对磁性元件的损耗进行相关研究是十分重要的。

磁芯损耗与磁性材料特性和工作频率等密切相关。

在交流磁化过程中，磁芯损耗功率(Pv)由磁滞损耗(Ph)、涡流损耗(Pe)和剩余损耗(Pc)组成。

磁滞损耗(Ph)是磁性材料在磁化过程中，磁畴要克服磁畴壁的摩擦而损失的能量，这部分损失最终使磁芯发热而消耗掉。

单位体积磁芯损耗的能量正比于磁滞回线包围的面积。

每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，所以可以得出：磁滞曲线面积越小，磁滞损耗就越小；频率越高，损耗功率越大。

涡流损耗(Pe)是因磁芯材料的电阻率不是无限大，有一定的电阻值，在高频时还是会由于激磁磁场在磁芯中产生涡流而导致损耗。

剩余损耗(Pc)是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。

所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。

本文对高频下磁芯损耗的计算进行了研讨。

二、磁芯损耗的经典计算方法前面对磁芯损耗的构成进行了分析，磁芯损耗功率(Pv)由磁滞损耗(Ph)、涡流损耗(Pe)和剩余损耗(Pc)组成：对于软磁铁氧体，文献[1]分别给出了正弦波形激励下Ph，Pe，Pc 的计算模型，但并不适合工程上的应用。

在一个世纪以前Steinmetz 总结出一个实用于工程计算磁芯损耗的经验公式：这个公式表明单位体积的损耗Pv 是重复磁化频率和磁通密度的指数函数。

Cm ，α 和β 是经验参数，两个指数都可以不为整数，一般的1<α<3 和2<β<3。

对于不同的材质，生产厂家一般会给出其相应的一套参数，但公式和参数仅仅适用于正弦的磁化情况，这是该经验公式应用于开关电源领域的一个主要缺陷。

三、Steinmetz 经验公式的应用与调整3.1 频率和温度的影响借助Steinmetz 模型计算磁损在工程上的应用十分广泛，然而该模型的参数随频率变化，也就是说用来反映频率和最大磁感应强度与磁损关系的幂指数α 和β 的拟合值在不同频率时是不同的，同时温度对磁芯损耗的影响也很大。