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使用SPICE对磁性电感建模

时间:2018-11-16 作者:Scott Deuty 阅读:
与硬件构建和评估相比,建模通常可以更快地对电路特性进行深入了解。对于磁性器件,这不仅有助于分析,还可避免大量的复杂数学计算,并缩短构建自定义组件所需的时间。

在电路所使用的所有元件中,磁性元件似乎最复杂,具体表现在如下几个方面:构造、寄生效应、线性度和变量等。电容和电阻倾向于标准化,电感则更多是面向特定应用的定制设计。教科书中的电路分析会让我们以为电感值是固定的,好像是摆在架子上让我们随意挑选的标准产品。

实际上,很多电感可以提供所期望的电路值。但若将电压、电流、功率和/或频率等其它工作参数考虑进来,可能不会得到最佳设计。随着电感绕组匝数的增加,复杂性会呈指数增长。因此,如果能在电路模型中模拟电感,我们就可以更容易地分析电路。

与大多数元件一样,电感也有电压和电流关系。这种关系的最基本形式是线性的,因为电压决定了电感中电流的变化率。在大多数情况下,电感值只是仿真工具(如LTSPICE)中具有线性特性的一个基本参数。然而,与所有元件一样,寄生效应会使电感偏离而导致非线性行为。基本电感寄生效应是串联电阻RDC和并联电容CP。


图1:等效电感原理图。

由此产生的电感行为随频率而变化,如图2的电感阻抗曲线所示。


图2:电感阻抗。

随着频率的增加,阻抗接近电感与并联电容相互作用的谐振频率。与实际组件相比,这些参数会影响仿真模型的精度。

电感表现出的另一个非线性特征是由于磁芯饱和产生的。电感值实际上随施加的电流和电压而变化,如图3所示。


图3:电感与电流。

BH曲线显示了电感的第二个非线性特征。这条曲线一开始看起来多半会让人困惑,因为B[伏-秒]和H[安-匝]不使用常见的单位,例如高斯(Gauss)和奥斯特(Oersted),是比较陌生的参数。实际上,这条曲线非常简单。施加一段时间电压后曲线会上升。随着B量的增加,下面的曲线开始沿H轴水平延伸,这也与增加的电流有关。通常,该器件会因无限电流而短路。复位电感的唯一方法是让BH上面的曲线向下走。上、下两条曲线之间的滞后是磁芯引起的电能损耗。最后,具有DC偏移的电感工作点显示为非对称小环路。


图4:BH环路。

变压器和耦合电感也可以使用SPICE建模。最简单的形式是使用耦合语句将几个电感绑定在一起,耦合语句是以“K”开头并插入原理图或网表中的文本行。


图5:使用K语句来耦合电感并制作一个变压器。

参考文献中详细地解释了SPICE中的K语句和耦合电感,但它确实会变得相当复杂。

一些更标准的变压器设计可以使用SPICE模型库。参考文献中提供了基本和标准的模型库。

与硬件构建和评估相比,建模通常可以更快地对电路特性进行深入了解。对于磁性器件,这不仅有助于分析,还可避免大量的复杂数学计算,并缩短构建自定义组件所需的时间。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN美国网站,参考链接:Modeling Magnetics in SPICE
。)
https://www.planetanalog.com/author.asp?section_id=3319&doc_id=564925&
《电子技术设计》2018年11月刊版权所有,禁止转载。
 

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Scott Deuty
Scott Deuty是资深电力电子工程师,具有超过30年的工程、营销、业务开发和写作经验。Scott Deuty拥有弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心 (CPES) 硕士学位。
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