автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование предельных возможностей использования новых магнитных материалов в высокочастотных источниках вторичного электропитания

На правах рукописи

РГБ ОД

2 а г;; г-

СТРОЕВ НИКОЛАИ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИСТОЧНИКАХ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Рацота выполнена в Смоленском филиале Московского энергетического института (Техническою \шшерсигета) на кафедре промышленной электроники.

11а\чнын руководи 1ель:

Доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

Дьяконов В.П.

Смольников Л.Е. Воробьев А.С.

Ведущее предприятие: АООТ ''ПО Искра", г. Смоленск.

Защита состоится " 8 " декабря 2000 г. г. аудитории кафедры ЭПП

в ]_5 час. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д.053.16.13. в Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:

г Москва, ул. Красноказарменная, д. 1 7.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 1 11250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ(ТУ).

Автореферат разослан " / "_[)_ ____2000 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д.053.010.13 к.т.н., доцент

/11.Г. Ьуре/

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ,

Актуальность темы диссертации. Магнитные элементы (МЭ) являются неотъемлемыми составляющими большинства ИВЭП. Увеличение рабочих частот преобразователей, позволяющее уменьшить габариты и массу источников питания, неминуемо сопровождается ростом удельных потерь. Это заставляет предельно оптимизировать режимы работы компонентов схем ИВЭП, прежде всего магнитных элементов, так как их доля в общих потерях, массе и габаритах при этом значительно возрастает.

Существенный прогресс в области улучшения энергетических и массогаба-ритных показателей преобразователей с повышенной частотой коммутации может быть достигнут при применении в силовых МЭ (трансформаторах, реакторах, дросселях) новых аморфных магнитных материалов, которые обладают уникальным сочетанием хороших магнитных характеристик с низкими удельными потерями в широком диапазоне частот. Однако недостаточная изученность поведения этих материалов при высокочастотном перемагничивании тре-эуют проведения экспериментальных исследований с имитацией условий, свой-:твенных МЭ высокочастотных преобразователей, проведения макетирования :хем ИВЭП с использованием аморфных сердечников.

Так как важнейшим средством исследования работы преобразовательных устройств и их компонентов является компьютерное моделирование, актуальной задачей является развитие моделей магнитных элементов с сердечниками из новых материалов и расширения диапазона их корректного использования при моделировании схем ИВЭП.

'1ель работы. Целью данной работы является улучшение показателей магнитных элементов высокочастотных источников вторичного электропитания при трименении в них сердечников из новых аморфных магнитных материалов. Задачи, решаемые для достижения поставленной цели.

[. Анализ условий работы силовых МЭ высокочастотных устройств вторичного шектропитания различных типов с учетом явлений, происходящих в сердечнике;

!. Выбор, анализ и совершенствование моделей аморфных магнитных сердеч-шков для моделирования работы высокочастотных ИВЭП средствами совре-денных программных пакетов схемотехнического и математического модели-ювания.

>. Разработка и практическое создание аппаратно-программного комплекса для [сследования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП с возможностью изме-1ения динамических петель перемагничивания в условиях, свойственных раз-ичным типам высокочастотных преобразователей, проведение эксперимен-альных исследований и обобщение их результатов.

4. Практическое использование экспериментально полученных данных для определения эффективности применения новых магнитных материалов в силовых МЭ высокочастотных ИВЭП.

Методы исследования. Базируются на теории и практике построения ИВЭП, современных представлениях о процессах динамического перемагничивания ферромагнетиков, использовании методов численного решения систем дифференциальных уравнений, применении математического и компьютерного моделирования с использованием современных программных комплексов Рэрше, МаЛСас!, Ма^аЬ-БштИпк, экспериментальном исследовании высокочастотных ИВЭП а также образцов сердечников с помощью специально разработанной и изготовленной для этих целей аппаратуры. Научная новизна.

1.На основе полученных в работе экспериментальных данных и результатов моделирования обоснована возможность существенного улучшения массогаба-ритных и энергетических показателей высокочастотных ИВЭП при применении в силовых МЭ сердечников из новых аморфных магнитных материалов, выявлен диапазон их наиболее эффективного использования.

2. На основании исследований образцов сердечников из аморфных материалов в условиях, характерных для МЭ высокочастотных ИВЭП в широком диапазоне частот и амплитуд перемагничивания, получены характеристики, имеющие решающее значение для определения параметров и оценки возможностей применения аморфных материалов в магнитных элементах высокочастотных преобразователей.

3.Проведен анализ возможностей модели Джилса-Атертона для моделирования процессов динамического перемагничивания аморфных магнитных материалов при исследовании работы высокочастотных ИВЭП в широком диапазоне частот и индукции перемагничивания, впервые предложена модификация модели с целью учета частотных свойств аморфных магнетиков путем введения зависимости величины коэрцитивной силы от скорости изменения магнитного поля.

4. Предложена РБрюе макромодель сердечника МЭ, использующая электрический эквивалент гистерезиса, имитирующая процессы динамического высокочастотного перемагничивания и энергетические потери в сердечнике, разработана термоэлектрическая модель сердечника, учитывающая особенности работь: силовых МЭ высокочастотных ИВЭП.

5. Предложен метод компенсации фазовой ошибки при определении динамических петель перемагничивания существенно повышающий точность измеренш в области высоких частот.

6. Разработана структура аппаратных средств и алгоритмы, позволяющие про водить измерение динамических петель перемагничивания сердечников с обес печением условий, свойственных МЭ высокочастотных преобразователей

¡первые предложен метод измерения частных циклов перемагничивания, характерных для большинства МЭ высокочастотных ИВЭП. фактическая ценность.

I. Рассмотрены особенности работы МЭ высокочастотных ИВЭП различных "ипов и с их учетом выработаны рекомендации по выбору магнитных материа-юв сердечников;

!. Выработаны критерии отбора моделей сердечников МЭ для решения задач .юделирования высокочастотных ИВЭП;

>. Выработаны рекомендации по практическому использованию модели Джил-:а-Атертона для определения потерь в МЭ высокочастотных ИВЭП с аморф-1ыми сердечниками. Существенно расширен диапазон использования модели за :чет ее модификации, осуществлена практическая реализация модифицирован-юй модели в системе Ма^аЬ-БшиПпк;

к С использованием модифицированной модели в системе Ма(ЬаЬ-31шиНпк >существлено моделирование силовой части высокочастотного преобразовате-1Я, обоснована эффективность применения в МЭ сердечника из аморфного ма--ериала.

>. На основании проведенного моделирования и экспериментальных исследова-шй температурных режимов сердечников при высокочастотном перемагничи-¡ании выработаны рекомендации по выбору допустимых температур перегрева I связи с условиями перемагничивания и свойствами материала сердечника. ¡. Создан измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования сер-[ечников МЭ высокочастотных ИВЭП на частотах до 1.5 мГц при программи-)уемой форме индукции, в том числе частных циклов.

'. Проведены экспериментальные исследования динамических параметров морфных сердечников систематизированы их результаты. Получены парамет-1Ы и характеристики аморфных магнитных материалов, существенно допол-[яющие типовые справочные данные в области высокочастотного перемагни-[ивания.

Разработан и изготовлен макет ИВЭП с применением сердечников из аморф-юго материала и феррита, отмечено улучшение массогабаритных показателей [ри переходе на аморфные материалы.

'еализация работы и внедрение. Результаты работы использованы в научно-:сследовательских работах кафедры промышленной электроники Смоленского >илиала МЭИ (ТУ), внедрены в ООО НПО «Рубикон-инновация», ООО «К25». Соответствующие акты внедрения приложены к диссертации. [остоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчетов с кспериментальными данными и результатами в частных случаях, для которых звестны решения, получаемые другими путями. Справедливость предлагаемых [атематических моделей и технических решений проверялась путем экспери-

ментальных исследований на оборудовании, разработанном на кафедре промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции: 4th European Conference on Power electronics and applications (EPE 95), на научно-технической конференции «Энергетика и высокие технологии», посвященной 35-летию СФ МЭИ (Смоленск, 1996), международной конференции «Системы компьютерной математики и лингвистики» (Смоленск 2000), научно-технических семинарах кафедры «Промышленная электроника» СФ МЭИ(ТУ).

В целом диссертационная работа обсуждалась на кафедре «Промышленная электроника» Смоленского филиала МЭИ(ТУ).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 публикациях. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Она содержит 180 страниц основного текста, 49 рисунка, 9 таблиц, 95 библиографических ссылок на использованные источники, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, основные задачи, методы проведения исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы, приведены сведения об их реализации и апробации, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены структуры силовых модулей высокочастотных ИВЭП различных типов и режимы работы МЭ, приведена их классификация, выбраны параметры и характеристики сердечников наиболее существенно влияющие на массогабаритные и энергетические показатели ИВЭП. Выявлены факторы, определяющие предельные возможности применения различных магнитных материалов в МЭ высокочастотных ИВЭП, рассмотрены основные требования к магнитным материалам высокочастотной преобразовательной техники в связи с условиями перемагничивания и явлениями, происходящими в ферромагнетиках при высокочастотном перемагничивании. Проведен анализ различных методов исследования и моделирования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП, выработаны критерии отбора моделей.

Наиболее важным признаком классификации МЭ высокочастотных ИВЭП является режим перемагничивания сердечника К группе с двухполяр-ным импульсным перемагничиванием сердечника относятся трансформаторы двухтактных преобразователей напряжения. Известно, что при работе двухтактных преобразователей из-за асимметрии процессов перемагничивания возникает нестабильность магнитного режима сердечника, приводящая появлению выбросов тока в ключевых элементах, снижающая энергетические, массогабаритные показатели и надежность устройств электропитания. Показано, что на высоких частотах нестабильность магнитного режима еще более усиливается. В

этом случае эффективным является применение в МЭ сердечников с улучшенными магнитными и энергетическими характеристиками Показано, что наиболее важными параметрами сердечников МЭ двухтактных высокочастотных преобразователей являются величина и стабильность магнитной проницаемости (увеличение и позволяет уменьшить число витков обмоток, индуктивности рассеяния, габариты сердечника), относительная величина остаточной индукции к индукции насыщения при данной частоте перемагничивания (позволяет расширить допустимый диапазон изменения индукции ), удельная мощность потерь в материале сердечника в рабочем диапазоне частот (определяет мощность потерь в объеме сердечника и его температурный режим), температурная стабильность параметров в диапазоне допустимого перегрева.

Однополярное намагничивание характерно для трансформаторов одно-тактных преобразователей, реакторов импульсных регуляторов первого, второго и третьего типов, дросселей фильтров. Наиболее важным параметром является динамический диапазон изменения индукции поля, определяемый по предельной петле перемагничивания на границе области насыщения. Известно, что с увеличением частоты предельное значение индукция снижается, что ограничивает возможность уменьшения массогабаритных показателей МЭ. Массо-габаритные показатели трансформаторов однотактных преобразователей сильно зависят от магнитной проницаемости материала сердечника. Для реакторов более существенна не величина д, а линейность вебер-амперной характеристики, что обычно достигается использованием сердечников с немагнитными зазорами. Энергетические показатели высокочастотных МЭ с однополярным намагничиванием зависят от удельной мощности потерь в магнитопроводе, которая сильно зависит от частоты и амплитуды перемагничивания Поэтому правильный выбор материала и магнитного режима сердечника фактически определяет общие потери в МЭ.

В отдельную группу следует выделить МЭ высокочастотных резонансных преобразователей. Трансформаторы резонансных преобразователей работают с сигналами близкой к синусоидальной формы, что снижает требования к частотным характеристикам материала сердечника В ряде случаев удается полезно использовать индуктивность рассеяния обмоток и межвитковую емкость. В остальном требования к параметрам определяются теми же факторами, что и в случае импульсных однотактных и двухтактных высокочастотных преобразователей.

При сопоставлении характеристик различных магнитных материалов показано, что новые аморфные материалы во многом превосходят по параметрам ферриты и магнитодиэлектрики, имеют большую перспективу применения в высокочастотных ИВЭП. Анализ доступных справочных данных и научных источников показал, что характеристики новых аморфных магнитных материалов на сегодняшний день недостаточно изучены, особенно в диапазоне частот свы-

ше 100 кГц, не накоплен опыт их применения в устройствах высокочастотной преобразовательной техники. В связи с этим необходимо всестороннее изучение их свойств с помощью экспериментальных исследований и моделирования.

Для моделирования схем высокочастотных ИВЭП необходимы модели сердечников, корректно отражающие частотные зависимости их параметров. На основе обзора существующих моделей ферромагнитных материалов произведена их классификация, определены критерии выбора.

Показано, что проведение экспериментальных исследований требует разработки и применения специального оборудования, которое способно воссоздать требуемые условия перемагничивания и необходимую точность измерений.

Во второй главе. Проведен анализ возможностей модели Джилса-Атертона в области динамического перемагничивания, намечены пути совершенствования модели. Рассмотрено математическое представление модели Джилса-Атертона и процесс определение ее параметров для аморфных материалов, приведены алгоритмы численного решения и их сравнительный анализ с учетом критичности к выбору шага интегрирования, точности и устойчивости. Предложен вариант модификации модели Джилса-Атертона с целью введения зависимости петли перемагничивания от скорости изменения поля.

Для анализ работы схем высокочастотных ИВЭП с помощью компьютерного моделирования требуются модели МЭ, включающие математические модели процессов динамического перемагничивания. Наиболее распространенной математической моделью динамических процессов перемагничивания ферромагнетиков является модель, предложенная Джилсом и Атертоном. Она нашла широкое применение в современных системах автоматизированной разработки и анализа электронных схем (например ВеБ1§пЬаЬ 8.0, Р8р1се 5.1 и последующих версий, Мкго-САР5). Модель описывает нелинейность магнитной характеристики ферромагнетика, гистерезисные эффекты, магнитную проницаемость начальной кривой намагничивания, позволяет учесть наличие воздушного зазора в сердечнике. Дифференциальное уравнение модели Джилса-Атертона, устанавливающее взаимосвязь между основными величинами процесса перемагничивания, имеет вид: ■

¿М М.-М С СМ.

с1Н К 1 + С (И

где Мт - безгистерезисная намагниченность; С - постоянная упругого смещения доменных границ; К - постоянная подвижности доменов; М - намагниченность материала сердечника; Н - напряженность поля; 5- коэффициент, принимающий значение +1, -1, 0 в зависимости от направления перемагничивания и текущего положения рабочей точки.

Показано, что для постоянной частоты перемагничивания при правильном определении параметров модели удается получить удовлетворительные ре-

зультаты моделирования применительно к аморфным материалам. Выработаны рекомендации по выбору исходных данных.

Однако базовая модель Джилса-Атертона не учитывает явление расширения петли при повышении частоты перемагничивания, что ограничивает диапазон ее применения в высокочастотной области. Для устранения этого недостатка проведена модификация модели.

Анализ экспериментальных петель перемагничивания образцов аморфных сердечников широком диапазоне частот позволил сделать вывод, что увеличение их площади с ростом частоты происходит в основном за счет расширения вдоль оси напряженности Н. Было установлено, что введение зависимости коэрцитивной силы от скорости перемагничивания наиболее просто осуществляется путем установления связи мгновенных значений коэффициента К от усредненного значения производной (Щ/(11.

£ -Р./®'»* ,2, Нс-Н^К® (3,

& ср О Л ^ ср

На основе сопоставления экспериментальных значений Нс и |<Щ/ск| в достаточно широком диапазоне (рис.1) было предложено использовать линейную аппроксимацию зависимости между ними (3). Нсо, Кьсг, - коэффициенты линейной регрессии, определяемые для аппроксимирующей функции.

Предложенная аппроксимация позволила при незначительном усложнении модели существенно расширить диапазон ее применения в области высокочастотного динамического перемагничивания. Полное уравнение перемагничивания модифицированной модели примет вид:

ам = 6. с ам?„

(1Н тт , V ¿Н 1-е сШ

"со + кьс1- •

ш

(4)

Для решения дифференциальных уравнений (1,4) необходимо использовать численные методы, причем от выбора метода и условий интегрирования зависит точность результата, скорость и сходимость процесса расчета на ЭВМ. Погрешности численного решения в целом определяются числом точек расчета па периоде. Выяснилось, что при попытке увеличить точность моделирования за счет уменьшения шага интегрирования не только значительно увеличивает

24 36 1АН/аисрх 10-5 Д/(п»с)

Рис. 1. Зависимость Нс от скорости изменения магнитного поля

время расчета, но и зачастую приводит к расходимости задачи и невозможности получить окончательный результат. Это связано с особенностью уравнения модели: в качестве переменной интегрирования в нем выступает напряженность поля Н, которая является функцией времени t. Поэтому выбор шага интегрирования во времени должен коррелироваться со скоростью изменения напряженности магнитного поля. Если это требование не выполняется, то при некотором шаге интегрирования алгоритм решения задачи становится неустойчивым. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании метода интеграла Дюамеля, который обычно используется при анализе электронных цепей во временной области. Особенность его применения в данном случае состоит в том, что в качестве параметра, по которому производится интегрирование, выступает не время, а напряженность магнитного поля. Интеграл Дюамеля вычисляется на каждом i-том шаге интегрирования, при этом используется линейная аппроксимация М^ (Н) на каждом шаге и известное выражение для реакции системы на входное воздействие, состоящее из начального скачка, равного Мш г М; и линейно изменяющегося участка, соответствующего изменению Мщ на этом шаге. Было получено рекуррентное для решения уравнения базовой модели (1):

н^-н,

К

M1+1 = Mi + {(Ma

■ М;)ехр

+ (Mani+1-Mani)

ехр

1--

f -H.L+! N

_ _ К

Hj+1-Hj к"

■5; +

С(М

-М "I

аш + 1 1 *amJ

С + 1

(5)

Для применения метода Дюамеля к решению уравнения модифицированной модели (4) следует в расчетной формуле (5) заменить постоянный параметра К переменной величиной Н«. рассчитываемой на каждом шаге интегрирования по формуле

HL - Н,

со

(6)

Расчеты с использованием модифицированной модели показали хорошие результаты для сердечников из аморфных материалов в диапазоне частот, где справедлива предложенная аппроксимация зависимости Нс от |<Ш/(И|.

Осуществлена реализация модифицированной модели в системе Ма1ЬаЬ-БтиНпк, на ее базе построена модель однообмоточного МЭ ИВЭП, проведен анализ схемы.

В третьей главе проведен анализ возможностей создания макромоделей МЭ высокочастотных ИВЭП средствами современных пакетов схемотехнического проектирования, рассмотрены вопросы определения потерь и температурных

режимов сердечников МЭ высокочастотных преобразователей на этапе моделирования.

Для пакетов схемотехнического проектирования решение задачи создания модели усложняется ограниченностью доступных математических возможностей. Рассмотренные математические модели требуют интегрирования по магнитным параметрам, а не по времени, что затрудняет их встраивание в САПР.

Наиболее доступным является путь разработки макромоделей на основе электрических аналогов гистерезисных процессов. Применение электрической схемы для моделирования динамического перемагничивания сердечников позволяет эффективно описывать процессы перераспределения энергии, различные инерционные явления, учитывать источники потерь, опираясь на реальные временные процессы в эквивалентной схеме. Применение физических аналогов широко используется в различных областях научных исследований, особенно когда непосредственное определение искомых величин затруднено.

Был предложен вариант расчетной схемы гистерезиса и модели нелинейной индуктивности на ее основе. Принцип работы схемы основан на использовании зависимых источников и автоматически изменяемой конфигурации. Наличие изменяемой конфигурации определяет бесповоротность (гистерезисность) процесса, т.е. невозможность возврата в предыдущее состояние без приложения напряжения обратной полярности и обхода петли. Моделируется форма петли гистерезиса и инерционность процессов.

Показано для анализа работы МЭ преобразователей с высокой частотой коммутации предложенный подход имеет неоспоримые преимущества в сравнении с рассмотренными математическими моделями, т.к. позволяет учитывать явления, происходящие в ферромагнетике, на физическом уровне.

При подборе элементов схемы удалось добиться хороших результатов для образца сердечника из аморфного материала 84КХСР в широком диапазоне частот.

Важным звеном моделирования преобразовательных устройств является определение потерь в МЭ. Апробация разработанных моделей для этой цели показало удовлетворительные результаты. Базовая модель Джилса-Атертона с неизменным» параметрами может использоваться только в узком диапазоне частот, что существенно ограничивает возможность ее применения при моделировании высокочастотных ИВЭП.

Значительные потери непременно ведут к разогреву МЭ, поэтому моделирование теплового режима следует считать неотъемлемой частью процесса моделирования. Строгий расчет тепловых процессов чрезвычайно сложен и на практике обычно используются методы, основанные на электротехнических аналогиях и эмпирических выражениях.

Эксперименты показали, что методики определения перегрева МЭ, используемые на средних частотах, при попытке применения к высокочастотно-

му диапазону перемагничивания дают заниженные результаты, особенно при значительных уровнях перемагничивания и для сердечников из материалов с низкой термостабильностью.

Для анализа тепловых процессов в сердечнике была предложена модель, совокупно учитывающая неравномерность распределения магнитного поля, теплового режима и зависимость удельной мощности потерь от температуры. Анализ проводился для кольцевой формы сердечника, являющейся типовой для аморфных и имеющая наименьшую неоднородность магнитных и тепловых режимов. Кольцо условно было разбито на тонкие зоны, в которых заведомо обеспечивается условие однородности поля и нагрева. На основе электротепловых аналогий была построена расчетная схема. Напряжения в узлах соответствуют температуре зон, источники тока эквивалентны мощностям потерь в зонах, сопротивления определяют процессы теплообмена. Величины источников определялись по экспериментально снятым зависимостям с применением математических аппроксимаций для сердечников из аморфного материала и феррита. Расчет модели осуществлялся средствами Рэрюе для различных уровней индукции с учетом и без учета температурной нестабильности удельной мощности потерь.

Показано, что при превышении некоторого уровня индукции при высокочастотном перемагничивании в ферритовом сердечнике наблюдается эффект резкого роста температуры вплоть до сотен градусов, при этом разность температур по зонам составляет десятки градусов. В таком режиме может наблюдаться термомеханическое разрушение сердечника, что подтверждали практические наблюдения.

Моделирование без учета температурной нестабильности дает результаты, близкие к рассчитанным по типовым методикам определения перегрева и далекие от экспериментальных, особенно в случае ферритовых сердечников. Описанный метод учитывает особенности режимов работы сердечников при высокочастотном перемагничивании и может быть рекомендован для практических расчетов перегрева МЭ высокочастотных ИВЭП.

Результаты моделирования с образцами аморфных сердечников свидетельствуют о существенных преимуществах перед нетермостабильными ферритами в области значительных амплитуд индукции поля, даже если начальный уровень потерь в них несколько выше.

В четвертой главе проведен анализ проблем, связанных с проведением измерений динамических петель перемагничивания в условиях, характерных для сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП, приводится описание программно-аппаратного комплекса, разработанного для проведения таких исследований.

Приводимые производителями магнитных сердечников справочные данные, как правило, не дают достаточной информации для определения параметров моделей, особенно в области высоких частот. Для экспериментальных ис-

следований необходимо специальное оборудование, разработка и изготовление которого само по себе является сложной технической задачей. Основная проблема состоит в невозможности организации непосредственного измерения динамических петель перемагничивания, все известные методы основаны на определении реакции на внешнее воздействие и получении магнитных величин и параметров путем расчетов. В основу разработки был положен цифровой ос-циллографический метод, так как он обеспечивает определение динамических петель перемагничивания, а не только отдельных параметров. На основе анализа проблем, возникающих при реализации данного метода был предложены решения, позволяющие существенно расширить частотный диапазон измерений и обеспечить возможность организации исследований частных циклов перемагничивания.

Предварительно были рассмотрены основные требования к разрабатываемой аппаратуре в связи с особенностями режимов перемагничивания сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП, выбрана схема измерений. Достижение высокой предельной частоты измерений, широкого динамического диапазона индукции, необходимость формировать сигналы сложной формы и корректировать их в процессе проведения измерения, обеспечивать задание температурного режима, поддерживать специальные алгоритмы при исследовании частных циклов и переходных процессов - вот далеко не полный перечень задач, требовавших решения при создании исследовательского комплекса. На основе анализа возможных вариантов решения перечисленных задач, был разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс [3], структурная схема которого представлена на рис.2.

Рис. 2. Структура программно-аппаратного комплекса.

Управление работой комплекса и обработка информации осуществляется компьютером PC с использованием интерфейса RS-232 и специально разработанного программного обеспечения. Взаимодействие с компьютером и обмен информации по внутренней магистрали I BUS и обеспечивает модуль интерфейса IU. Подготовка к проведению измерений и управление всеми процессами осуществляется программно.

В схему измерений входит исследуемый сердечник ТС с тестовой обмоткой, резистивный датчик тока намагничивания R, модуль усилителя мощности РАМР, программируемый генератор PG, модуль обеспечения температурного режима TU и модуль аналого-цифрового преобразования ADU. Для формирования в образце тестового воздействия заданной формы индукции необходимо подобрать требуемое изменение сигнала напряжения на обмотке намагничивания, причем в зависимости от текущего магнитного состояния образца эта форма должна изменяться до достижения установившегося значения петли пере-магничивания. Формирование и коррекцию тестового сигнала осуществляет программируемый генератор PG, работающий в широком диапазоне частот, способный обеспечить имитацию чередующихся и переходных процессов, квазипериодические воздействия, поддержку специальных алгоритмов для исследования частных циклов перемагничивания, стробирование измерительных модулей.

Сигнал TS с выхода программируемого генератора поступает на вход модуля усилителя мощности РАМР, имеющий программируемый коэффициент усиления и обеспечивающий необходимый динамический диапазон изменения тестового сигнала. Кроме того, в состав данного модуля включена схема балансировки, которая стабилизирует магнитный режим сердечника Дополнительное стробирование позволяет при проведении измерений переводить интегратор схемы балансировки в режим хранения, тем самым исключая ошибки вследствие действия импульсных помех и несимметричного детектирования высокочастотных сигналов входными цепями интегратора.

Основным критерием выбора схемы измерений было обеспечение точности во всем частотном диапазоне, минимизация влияния в высокочастотной области паразитных реактивностей. В связи с этим был применен вариант с одной обмоткой, используемой как для задания тестового воздействия на исследуемый сердечник, так и для определения напряжений для расчета индукции поля в нем. Напряжение на обмотке в любой момент времени:

UTS(t) = UP(t)-IH(t).(R + Ro) (7) = (8)

W

где Uw(t) - напряжение на обмотке; UP(t) - напряжение на выходе усилителя; IH(t) - ток в обмотке намагничивания; R - сопротивление резистивного датчика тока; Ro - паразитные сопротивления цепи намагничивания; 1т - длина средней линии сердечника.

В первом приближении сигнал TS определяется выражением:

U[s(t)= W'Sm--dB(t) (9) TS Ku dt

где W - число витков тестовой обмотки; Sm - сечение сердечника; Ки - коэффициент усиления усилителя РАМР; B(t) - закон изменения магнитной индукции.

В связи с наличием в цепи намагничивания активного сопротивления сигнал ТБ должен корректироваться таким образом, чтобы обеспечить требуемый вид изменения индукции в сердечнике.

итз(1) = и^(0+(К + Ко)'1н(1) (10) К-и

Компенсация осуществляется за счет как изменения формы сигнала программируемого генератора, так и коэффициента усиления усилителя, и обычно осуществляется за 2-3 приближения. Максимальное значение индукции определяется интегралом:

т

1 2

Ви = ш - (11)

W о

Для определения циклов перемагничивания с помощью модуля АБи проводится синхронное измерение мгновенных значений тока намагничивания и напряжения на тестовой обмотке. За каждый цикл перемагничивания определяется одна точка петли, стробирование замеров осуществляется сигналами программируемого генератора 81, 52. Модуль АБи содержит два идентичных канала быстродействующих аналого-цифровых преобразователя с нормирующими усилителями на входах, входной программируемый аттенюатор и коммутатор.

Показано, что особую проблему при таких измерениях на высоких частотах вызывает различие фазовых характеристик измерительных схем каналов, наибольшая доля которых приходится на нормирующие усилители. Корректировка этих параметров обычными средствами затруднена нестабильностью фа-зочастотных характеристик операционных усилителей в высокочастотной области.

Был предложен и успешно реализован алгоритмический метод компенсации фазовой ошибки, для чего в схему был введен дополнительный коммутатор. В процессе измерений каналы периодически меняются местами и таким образом каждая точка петли перемагничивания определяется два раза при разных вариантах подключения усилителей. С помощью математической обработки данные усредняются и рассчитывается результирующая петля перемагничивания. Доказана эффективность предложенного метода.

Работа комплекса обеспечивается с помощью специально разработанного программного обеспечения, реализующего алгоритмы измерений как при симметричных так и несимметричных циклах перемагничивания [5]. Методику измерений частных циклов иллюстрирует рис.3. Фоновое перемагничивание обеспечивает магнитный режим сердечника. Для формирования частного цикла используется укорочение периода тестового сигнала с дополнительной коррекцией его амплитуды

ug(t)

Vi

U

t^i

В B„

Im(t)

\Л/Л\ ■

к V л/ Л/ t -в,

Рис.3. Эпюры токов, напряжений и соответствующие петли гистерезиса при измерении частных циклов перемагничивания

Управление комплексом осуществляется посредством удобного пользовательского интерфейса, имеющего ряд сервисных функций для подготовки и проведения экспериментов (рис.4).

¡умнямаииадгуиоишимжиш!

Протокол испытаний от 26 октябре 19

сердечник* 84054, материал 84kxsr размер 0 016x0 01х0££ Режим испытании : Форма индукции : синусоидальная Частота пере магнимибаниа : ш кГ Амплитуда мнаукиии : 0 3 Тл

17

íL

Результат»» •

Нт ■ 14.5002 А/м, Не ■ Вг • 013496 Тл, Рт • 6.96197 В'

Ц^ШГ

Core Editor

Index : 84054 Material : 84lo<sr Mass ■ .00433 kg

D . 016 m

d •. .0i| m Section Area : 1 95e-0S Magnetic media length : 0 04084 Volume : 7 964e-Q7 Density 6065

fSiffiSKSei!

T

SÉ

1юяиш"1иЩ|Ш-1ианя11Ш1-,

Рис. 4. Вид окна пользовательского интерфейса

Для проведения исследования температурных зависимостей характеристик сердечников в состав комплекса был включен модуль обеспечения температурного режима TU, обеспечивающий задание и контроль температуры исследуемого образца до 200 С°.Разработанное оборудования и программное

обеспечение позволяет проводить исследования сердечников МЭ ИВЭП в диапазоне частот 1 кГц-1.5 мГц при программно задаваемой форме изменения индукции, амплитудой напряжения перемагничивания до 35 В при токе до 5 А.. В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования возможностей улучшения показателей магнитных элементов высокочастотных источников вторичного электропитания при применении в них сердечников из но-

Примером эффективного использования МЭ на основе аморфного сердечника может служить разработка сетевого ИВЭП мощностью 15 Вт, выполненная по заказу НПО «Рубикон-Инновация». Основной целью разработки была миниатюризация конструкции при достижении максимально высокого КПД в широком диапазоне изменений питающих напряжений. Наилучшие показатели диапазоне малых мощностей имеют однотактные обратноходовые преобразователи, что определило выбор структуры ИВЭП. Для уменьшения габаритов схемы управления и силового ключа был выбран' интегрированный вариант на базе микросхемы ТОР201 У, имеющей внутренний контроллер ШИМ и мощный высоковольтный ключ на МДП транзисторе. Трансформатор был рассчитан в двух вариантах: с применением ферритового сердечника 2500НМС2 и аморфного К84КХСР с нормированным немагнитным зазором. Использование аморфного сердечника позволило уменьшить габариты трансформатора в 1.83 раза, а массу в 1.44 раза. Эффект был достигнут из-за возможности уменьшения размеров сердечника и обмоток за счет лучшей цг и существенно большей допустимой амплитуды индукции. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность применения в разработке аморфного сердечника. Энергетические характеристики ИВЭП удовлетворяли заданным требованиям во всем диапазоне изменения входных напряжений (рис.5)

Для получения характеристик сердечников, определяющих диапазон их эффективного применения в высокочастотных ИВЭП были проведены исследования и сравнительный анализ частотных и температурных зависимостей магнитных и энергетических параметров в широком динамическом диапазоне, исследовано влияние формы сигнала перемагничивания на энергетические потери в ферромагнитных материалах на высоких частотах. Результаты эксперимен-

вых аморфных магнитных материалов. Лч

Рис.5. Экспериментальная зависимость КПД ИВЭП от напряжения питания.

тальных исследований широко использовались при работе над теоретическими главами диссертации и для подтверждения сделанных выводов

Основные результаты диссертационной работы.

1. Исследованы особенности работы силовых МЭ высокочастотных ИВЭП различных типов с учетом явлений, происходящих в сердечнике, выделены факторы определяющие возможность улучшения показателей высокочастотных ИВЭП при применении в них МЭ с сердечниками из новых аморфных магнитных материалов. Выработаны критерии отбора моделей для компьютерного моделирования МЭ высокочастотных ИВЭП и рекомендации по выбору магнитных материалов сердечников;.

2. На основе анализа возможностей модели Джилса-Атертона выработаны рекомендации по ее практическому использованию для моделирования МЭ высокочастотных ИВЭП, существенно расширен диапазон использования модели за счет ее модификации.

3. Впервые представлена практическая реализация модифицированной модели Джилса-Атертона и МЭ ИВЭП на ее основе средствами математической системы Ма^аЬ - 81шиПпк.

4. Предложен вариант построения РБрюе макромодели сердечника МЭ, использующий электрический эквивалент гистерезиса, имитирующий процессы динамического высокочастотного перемагничивания и энергетические потери в сердечнике.

5. На основании проведенного моделирования и экспериментальных исследований температурных режимов сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП даны рекомендации по выбору допустимых температур перегрева в связи с условиями перемагничивания и свойствами материала сердечника

6. Предложен алгоритмический метод компенсации фазовой ошибки при измерении мгновенных значений токов и напряжении при определении динамических петель перемагничивания.

7. Впервые для цифрового осциллографического метода измерений петель динамического перемагничивания предложен и реализован алгоритм измерения частных циклов в высокочастотной области.

8. В результате исследований образцов сердечников из аморфных материалов при различной форме магнитной индукции в широком диапазоне частот, амплитуд перемагничивания и температур, получены характеристики, имеющие важное значение для определения параметров и анализа энергетических возможностей аморфных материалов при применении в высокочастотных ИВЭП.

9. Разработан и испытан высокочастотный ИВЭП с использованием аморфного сердечника, доказана эффективность его применения, достигнуто существенное улучшение массогабаритных показателей.

10. На основании сравнения результатов экспериментального исследования и моделирования ферритовых и аморфных сердечников обоснованы преимущества применения новых аморфных материалов в МЭ высокочастотных ИВЭП.

11. Разработан и изготовлен специализированный компьютерно-измерительный комплекс для проведения экспериментальных исследований сердечников МЭ ИВЭП в широком диапазоне частот, амплитуд индукции и температуры.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Амелин С.А., Новиков A.A., Строев К.Н., Строев H.H. Расчет потерь в аморфных магнитных материалах с помощью модифицированной модели Джилса-Атертона. //Вестник МЭИ. - 1996. -№1. - С.59-63.

2. Амелин С.А., Строев H.H. Программно-аппаратный комплекс для исследования магнитных компонентов высокочастотных преобразователей напряжения. //Сборник научных трудов №8. Смоленск: Смоленский филиал МЭИ. 1995.-С.151-159.

3. Строев H.H., Третьякова М.А. Усовершенствование дефорсирующей цепи обратноходового однотактного преобразователя //Приборы и устройства автоматики, вычислительной техники, электроники и оптоэлектроники: Сборник научных трудов №2. Смоленск: Смоленский филиал МЭИ. 1992. -С.198-200.

4. Строев H.H. Вопросы разработки моделей магнитных компонентов для анализа схем преобразователей с повышенной частотой коммутации //Сборник научных трудов №9 Смоленск: Смоленский филиал МЭИ. 1996.- С.158-162.

5. А. Новиков, Н. Строев, К. Строев, А. Ширяев Компьютерный комплекс измерения параметров магнитных материалов на частотах до 5 МГц // Журнал по Магнетизму и Магнитным Материалам. Том 133. 1994,- С. 429-432. (на английском языке)

Гкч. л. /tZq__Тираж ¡CQ Закнд ¿jЦЦ-

Типография МЭИ. Краоиоказлрмснная, 13

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ УЛУЧШЕНИЯ МАССО-ГАБАРИТНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИВЭП, АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ИХ

ХАРАКТЕРИСТИК.

1.1 Режимы и особенности работы МЭ силовых узлов высокочастотных ИВЭП.

1.2. Особенности условий работы и критерии выбора магнитного материала сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП.

1.3. Обзор перспективных магнитных материалов для компонентов высокочастотных ИВЭП.

1.4. Вопросы построения моделей МЭ высокочастотных ИВЭП и оценки эффективности их применения.

1.5. Методы и оборудование для экспериментального исследования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП.

1.6. Выводы.

2. СТРУКТУРА МОДЕЛИ ДЖИЛСА-АТЕРТОНА, АНАЛИЗ ЕЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ В ОБЛАСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ, ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МОДЕЛИ.

2.1. Математическое представление модели Джилса-Атертона и определение ее параметров.

2.2. Алгоритмы численного решения модели Джилса-Атертона.

2.3. Введение в модель частотной зависимости.

2.4. Реализация модифицированной модели Джилса-Атертона в программе моделирования динамических систем Simulink.

2.5. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ МАКРОМОДЕЛЕЙ СЕРДЕЧНИКОВ ИНДУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

3.1. Определение потерь в сердечнике на этапе моделирования

3.2. Моделирование температурных режимов сердечников магнитных компонентов высокочастотных преобразователей

3.3. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНИКОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИВЭП ПРИ ПРОГРАММИРУЕМОЙ ФОРМЕ ПОТОКА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.

4.1. Выбор и обоснование метода измерений.

4.2. Особенности построения аппаратуры и проведения измерений при повышенных частотах перемагничи-вания.

4.2.1. Обеспечение необходимого закона перемагни-чивания в образце.

4.2.2. Обеспечение формирования сигнала требуемой формы и синхронизации процессов измерения и обработки данных.

4.2.3. Синхронное измерение токов и напряжений для определения магнитных величин.

4.2.4. Обработка данных и корректировка тестового воздействия.

4.3. Описание измерительного комплекса.

4.3.1. Модуль программируемого генератора.

4.3.2. Модуль усилителя намагничивания.

4.3.3. Модуль АЦП.

4.3.4. Модуль интерфейса.

4.3.5. Модуль обеспечения температурных режимов

4.3.6. Программное обеспечение комплекса.

4.4. Выводы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СЕРДЕЧНИКОВ ИЗ АМОРФНЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В МЭ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

5.1. Экспериментальное исследование зависимости удельных потерь в ферромагнитных материалах от частоты перемагничивания и температуры.

5.2. Исследование влияния формы индукции на удельную мощность потерь при высокочастотном перемагничи-вании.

5.3. Разработка и исследование высокочастотного ИВЭП.

5.4. Выводы.

Одной из основных тенденций развития устройств вторичного электропитания является разработка преобразователей с повышенной частотой коммутации, обеспечивающей достижение хороших массогаба-ритпых и энергетических показателей. Однако, как известно, увеличение рабочих частот преобразования приводит к росту удельных потерь. Поэтому реальный выигрыш достигается только при оптимальном выборе режимов работы компонентов схем. Это особенно важно для магнитных компонентов, так как их доля в общих потерях, массе и габаритах высокочастотных устройств вторичного электропитания чаще всего является определяющей.

Для рабочих частот 20-50 кГц, широко используемых в преобразователях устройств вторичного электропитания, вопросы выбора материала сердечника, конструкции, режима работы достаточно хорошо изучены, существуют апробированные методы расчета, накоплен большой практический опыт. Для более высоких частот, которые активно осваиваются разработчиками, в связи со значительным изменением условий перемагничивания, требуется их совершенствование и доработка. Существенный прогресс в области улучшения энергетических показателей магнитных компонентов преобразователей с повышенной частотой коммутации может быть достигнут при применении новых аморфных магнитных материалов, которые обладают уникальным сочетанием хороших магнитных характеристик с низкими удельными потерями в широком диапазоне частот. Однако недостаточная изученность поведения этих материалов при высокочастотном перемапшчивании требуют проведения экспериментальных исследований с имитацией условий, свойственных МЭ высокочастотных преобразователей, проведения макетирования схем ИВЭП с использованием аморфных сердечников.

Важнейшим средством исследования работы преобразовательных устройств стало их компьютерное моделирование. В связи с этим актуальной задачей является создание и применение моделей МЭ, корректно отражающих динамические свойства материалов сердечников в условиях высокочастотного перемагничивания.

Целью данной работы является улучшения показателей магнитных элементов высокочастотных источников вторичного электропитания при применении в них сердечников из новых аморфных магнитных материалов.

Достижение цели исследования предполагает решение следующих задач:

- Анализ условий работы силовых МЭ высокочастотных устройств вторичного электропитания различных типов с учетом явлений, происходящих в сердечнике;

- Выбор, анализ и совершенствование моделей аморфных магнитных сердечников для моделирования работы высокочастотных ИВЭП средствами современных программных пакетов схемотехнического и математического моделирования.

- Разработка и практическое создание аппаратно-программного комплекса для исследования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП с возможностью измерения динамических петель перемагничивания в условиях, свойственных различным типам высокочастотных преобразователей, проведение экспериментальных исследований и обобщение их результатов.

- Практическое использование экспериментально полученных данных для определения эффективности применения новых магнитных материалов в силовых МЭ высокочастотных ИВЭП.

Методы проведенных исследований базируются на теории и практике построения ИВЭП, современных представлениях о процессах динамического перемагничивания ферромагнетиков, использовании методов численного решения систем дифференциальных уравнений, применении математического и компьютерного моделирования с использованием современных программных комплексов Рзрюе, МаЙгСаё, Ма1;ЬаЬ-81ти1шк, экспериментальном исследовании высокочастотных ИВЭП а также образцов сердечников с помощью специально разработанной и изготовленной для этих целей аппаратуры.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

- Обоснована возможность существенного улучшения массогабаритных и энергетических показателей высокочастотных ИВЭП при применении в силовых МЭ сердечников из новых аморфных магнитных материалов, выявлен диапазон их наиболее эффективного использования.

- На основании исследований образцов сердечников из аморфных материалов в условиях, характерных для МЭ высокочастотных ИВЭП в широком диапазоне частот и амплитуд перемагничивания, получены характеристики, имеющие решающее значение для определения параметров и оценки возможностей применения аморфных материалов в магнитных элементах высокочастотных преобразователей.

- Проведен анализ возможностей модели Джилса-Атертона для моделирования процессов динамического перемагничивания аморфных магнитных материалов при исследовании работы высокочастотных ИВЭП в широком диапазоне частот и индукции перемагничивания, впервые предложена модификация модели с целью учета частотных свойств аморфных магнетиков путем введения зависимости величины коэрцитивной силы от скорости изменения магнитного поля.

- Предложена Р8ргсе макромодель сердечника МЭ, использующая электрический эквивалент гистерезиса, имитирующая процессы динамического высокочастотного перемагничивания и энергетические потери в сердечнике, разработана термоэлектрическая модель сердечника, учитывающая особенности работы силовых МЭ высокочастотных ИВЭП.

- Предложен алгоритмический метод компенсации фазовой ошибки при определении динамических петель перемагничивания существенно повышающий точность измерений в области высоких частот.

- Разработана структура аппаратных средств и алгоритмы, позволяющие проводить измерение динамических петель перемагничивания сердечников с обеспечением условий, свойственных МЭ высокочастотных преобразователей, впервые предложен метод измерения частных циклов перемагничивания, характерных для большинства МЭ высокочастотных ИВЭП.

Практическая ценность работы определяется тем, что в ней:

- Рассмотрены особенности работы МЭ высокочастотных ИВЭП различных типов и с их учетом выработаны рекомендации по выбору магнитных материалов сердечников;

- Выработаны критерии отбора моделей сердечников МЭ для решения задач моделирования высокочастотных ИВЭП;

- Выработаны рекомендации по практическому использованию модели Джилса-Атертона для определения потерь в МЭ высокочастотных ИВЭП с аморфными сердечниками. Существенно расширен диапазон использования модели за счет ее модификации, осуществлена практическая реализация модифицированной модели в системе Ма&аЬ-ЭитШпк;

- На основании проведенного моделирования и экспериментальных исследований температурных режимов сердечников при высокочастотном перемагничивании выработаны рекомендации по выбору допустимых температур перегрева в связи с условиями перемагничивания и свойствами материала сердечника.

- Создан измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП на частотах до 1.5 мГц при программируемой форме индукции, в том числе частных циклов.

- Проведены экспериментальные исследования динамических параметров аморфных сердечников систематизированы их результаты. Получены параметры и характеристики аморфных магнитных материалов, существенно дополняющие типовые справочные данные в области высокочастотного перемагничивания.

- Разработан и изготовлен макет ИВЭП с применением сердечников^ из аморфного материала и феррита, отмечено существенное улучшение массогабаритных показателей при переходе на аморфные материалы.

Материал диссертационной работы изложен следующим образом:

В первой главе рассматриваются структуры силовых модулей высокочастотных ИВЭП различных типов и режимы работы МЭ, приведена их классификация, выбраны параметры и характеристики сердечников наиболее существенно влияющие на массогабаритные и энергетические показатели ИВЭП. Выявлены факторы, определяющие предельные возможности применения различных магнитных материалов в МЭ высокочастотных ИВЭП, рассмотрены основные требования к магнитным материалам высокочастотной преобразовательной техники в связи с условиями перемагничивания и явлениями, происходящими в ферромагнетиках при высокочастотном перемагничивании. Проведен анализ различных методов исследования и моделирования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП, выработаны критерии отбора моделей.

Показано, что проведение моделирования и экспериментальных исследований требует разработки применения специального оборудования, которое способно воссоздать требуемые условия перемагничивания и необходимую точность измерений динамических петель перемагничивания.

Во второй главе рассмотрена структура модели Джилса-Атертона, проведен анализ ее возможностей в области динамического перемагничивания, намечены пути совершенствования модели. Уточнено математическое представление модели Джилса-Атертона и определение ее параметров для аморфных сердечников, приведены алгоритмы численного решения и сравнительный анализ их возможностей с учетом критичности к выбору шага интегрирования, точности и устойчивости. Предложен вариант модификации модели Джилса-Атертона с целью введения зависимости ширины петли перемагничивания от скорости изменения магнитного поля и практическая реализация средствами программы динамического моделирования ЗшшНпк, входящей в состав математической системы Ма&аЬ.

В третьей главе проведен анализ проведен возможностей создания макромоделей МЭ высокочастотных ИВЭП средствами современных пакетов схемотехнического проектирования, рассмотрены вопросы определения потерь и температурных режимов сердечников МЭ высокочастотных преобразователей на этапе моделирования.

В четвертой главе проведен анализ проблем, связанных с проведением измерений динамических петель перемагничивания в условиях, характерных для сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП, приводится описание программно-аппаратного комплекса, разработанного для проведения таких исследований,

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования возможностей улучшения показателей магнитных элементов высокочастотных источников вторичного электропитания при применении в них сердечников из новых аморфных магнитных материалов. Разработан и испытан малогабаритный источник питания, доказана эффективность применения с нем сердечника из аморфного материала. Разработка внедрена в НПО «Рубикон-Инновация». Для получения характеристик сердечников, определяющих диапазон их эффективного применения в высокочастотных ИВЭП были проведешь исследования и сравнительный анализ частотных и температурных зависимостей магнитных и энергетических параметров в широком динамическом диапазоне, исследовано влияние формы сигнала перемагничивания на энергетические потери в ферромагнитных материалах на высоких частотах.

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведенной работы.

В приложении приведены программы моделей и примеры их практической реализации средствами пакетов схемотехнического и математического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту: -структуры разработанных моделей и макромоделей аморфных сердечников для моделирования высокочастотных ИВЭП, методики расчетов и примеры практической реализации;

-критерии отбора моделей для решения задач моделирования магнитных компонентов высокочастотных преобразователей;

-способ модификации модели Джилса-Атертона с целью учета частотных свойств аморфных магнетиков;

-термоэлектрическая модель сердечника, учитывающая особенности тепловых процессов в сердечнике при высокочастотном перемагничива-нии;

-оборудование и алгоритмы измерения динамических петель гистерезиса при высокочастотном перемагничивании сердечников МЭ ИВЭП и программируемой форме индукции;

-метод измерения частных циклов перемагничивания, характерных для однотактных высокочастотных ИВЭП;

-экспериментальные характеристики сердечников из аморфных магнитных материалов, полученные в широком динамическом, частотном и температурном диапазонах и результаты исследования опытного образца ИВЭП.

Результаты исследования могут быть сформулированы в виде следующих основных выводов.

1. Анализ работы силовых МЭ высокочастотных устройств вторичного электропитания различных типов должен проводиться с учетом явлений, происходящих в сердечнике при характерных условиях перемагничивания, так как они существенно влияют на параметры МЭ ИВЭП.

2. На основе анализа возможностей модели Джилса-Атертона выработаны рекомендации по ее практическому использованию для моделирования МЭ высокочастотных ИВЭП, диапазон использования модели существенно расширен за счет ее модификации.

3. Впервые представлена практическая реализация модифицированной модели Джилса-Атертона и МЭ ИВЭП на ее основе средствами математической системы МаЛаЬ - 8шш1тк.

4. Предложен вариант построения Рзрке макромодели сердечника МЭ, использующий электрический эквивалент гистерезиса, имитирующий процессы динамического высокочастотного перемагничивания и энергетические потери в сердечнике.

5. На основании проведенного моделирования и экспериментальных исследований температурных режимов сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП рекомендации по выбору допустимых температур перегрева в связи с условиями перемагничивания и свойствами материала сердечника.

6. Предложен алгоритмический метод компенсации фазовой ошибки при измерении мгновенных значений токов и напряжении при определении динамических петель перемагничивания.

7. Впервые для цифрового осциллографического метода измерений петель динамического перемагничивания предложен и реализован алгоритм измерения частных циклов в высокочастотной области.

8. В результате исследований образцов сердечников из аморфных материалов при различной форме магнитной индукции в широком диапазоне частот, амплитуд перемагничивания и температур, получены характеристики, имеющие важное значение для определения параметров и анализа энергетических возможностей аморфных материалов при применении в высокочастотных ИВЭП.

9. Разработан и испытан высокочастотный ИВЭП с использованием аморфного сердечника, доказана эффективность его применения, достигнуто существенное улучшение массогабаритных показателей.

Ю.На основании сравнения результатов экспериментального исследования и моделирования ферритовых и аморфных сердечников обоснованы преимущества применения новых аморфных материалов в МЭ высокочастотных ИВЭП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование возможности улучшения массогабаритных и энергетических параметров МЭ высокочастотных ИВЭП при использовании сердечников из новых аморфных магнитных материалов, уделено большое внимание развитию средств моделирования и экспериментального исследования сердечников МЭ с учетом особенностей условий их работы в преобразовательных устройствах с высокой частотой коммутации.

1. Эраносян С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. - Л.:Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991.176 с.

2. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко H.H., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М.: Радио и связь, 1988.

3. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. М.: Радио и связь, 1992. -224 с.

4. Моторола. Электронные компоненты (техническая документация): CDROM. М.: Додэка, - 1998.

5. TEMIC. Technical library. -CDROM //Приложение к журналу «Инженерная микроэлектроника», 1998, - №1.

6. Электронные компоненты. Каталог.- М.: Платан,-1999.-80 с.

7. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база /Масленников М.Ю., Соболев Е.А. и др. М.: Энергоатомиздат, 1993.

8. Поливанов K.M. Ферромагнетики. М.: Госэнергоиздат, 1957, 512 с.

9. Bozorth R. Ferromagnetism. New York, Van Nostrand, 1968, - 728 c.

10. Горский A.H., Русин Ю.С., Иванов H.P., Сергеева Л.А. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания. М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.

11. Ламмеранер И., Штафль М. Вихревые токи. М.: Энергия, 1967. -208 с.

12. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. Госэнергоиздат, 1936.

13. Баев Е.Ф., Фоменко JI.A., Цымбалюк B.C. Индуктивные элементы с ферромагнитными сердечниками. М.: Сов. Радио, 1976.- 319 с.

14. Gornakov V.S., Synogach V.T. Dinamic instability and magnetic aftereffect in domain wall dinamics. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. - V.133. - p. 25-27.

15. Mayergoyz I.D., Mathematical Models of Hysteresis. Springer, New York, 1991.16. .Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. -Л.: Энергия, 1970. 432 с.

16. Moses A.J., Shirkoohi G.H. Iron loss in non-oriented electrical steels under distorted flux condition. // IEEE Transaction on magnetics, vol. MAG-23, No.5, Sept. 1987. - p.3217-3220.

17. Fiorillo F., Novikov A. Power Losses under Sinusoidal, Trapezoidal and Distorted Induction Waveform. // IEEE Transactions on Magnetics, vol. MAG-26, No 5,1990. - p. 2559 - 2561.

18. Русин Ю.С., Гликман И.Я., Горский A.H. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1991.

19. Калантаров JI.A., Цейтлин JI.A. Расчет индуктивностей. JL: Энергия, 1970. - 415 с.

20. Задерей Г.В., Заика П.Н. Многофункциональные трансформаторы в средствах вторичного электропитания. М.: Радио и связь, 1989.

21. Справочник по электротехническим материалам по ред. Корицко-го Ю.В., Пасынкова В.В., Бареева Б.М., т.З. JL: Энергоатомиздат, 1988.

22. Прецезионные сплавы. Справочник под ред. Молотилова Б.В., -М.: Металлургия, 1983.24. .Михайлова Н.М., Филиппов В.В., Муслаков В.П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1983.-200 с.

23. Захаров Ю.К., Мирошкин A.B. Потери в ферритах для широкого диапазона частот и магнитных индукций //Сб. докл. семинара «Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА». М.: МДНТП. 1986, - с. 86-88.

24. ГОСТ-14208-77. Магнитопроводы кольцевые из марганец-цинковых ферритов.

25. ГОСТ 8763-77 Магнитопроводы кольцевые из альсиферов.

26. ГОСТ 10983-75 Сердечники броневые из карбонильного железа.

27. P. Duwez and S.C.H. Lin: J. Appl. Phys.,38, 4096 (1967)

28. Информационные материалы по аморфным сплавам Новочеркасского ПО "Магнит" 1990.

29. Стародубцев Ю.Н., Кейлин B.C. ГАММАМЕТ новый материал магнитопровода. // Радио. - 1994. - №6. - с. 34,35.

30. Стародубцев Ю.Н., Кейлин B.C., Белозеров В.В. Магнитопроводы ГАММАМЕТ. // Радио. 1999. - №6. - с. 48-50.

31. Стародубцев Ю.Н. Трансформаторы напряжения на кольцевых магнитопроводах ГАММАМЕТ 411. // Электричество. 1995 - №10. -с. 63.

32. Розевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. M.: Солон, 1999, - с. 698.

33. F. Preisach Uber die Magnetische Nachwirkung. Zeitschrift fur Physik. - Vol. 94,1935. - pp. 5-6,

34. I.D. Mayergoyz Mathemetical models of hysteresis. // IEEE Trans. Magnetics, vol. MAG-22, no.5, Sept. 1986.

35. Edward Delia Tor, Ferrenc Vaida Modelin magnetic materials with the complete moving hysteresis model // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. -1994. V.133. - p. 6-10.

36. St. Seeck, M. Lambeck Noncyclic magnetization processes in relation to the Preisach model. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. -1990. V.135. - p. 53-56.

37. D. Philips, L. Dupre, J. Crops, J. Melkebeek The application of the Preisach model in magnetodynamics: theoretical and practical aspects. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. - V.133. - p. 540543.

38. Jiles D.C., Atherton D.L. Theory of ferromagnetic hysteresis // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1986.-V.61. №1. - p. 48-60.

39. Розевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. М.:Солон, 1997, - с.273.

40. Розевиг В.Д. Применение программ P-CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. М.: Радио и связь, 1989.

41. А.А. Новиков, С.А. Амелин. PSpice-модели магнитных компонентов и экспериментальные определение их параметров // Электричество 1995. - № 4. - с. 24-27.

42. Амелин С.А., Новиков А.А., Строев К.Н., Строев Н.Н. Расчет потерь в аморфных магнитных материалах с помощью модифицированной модели Джилса-Атертона. // Вестник МЭИ. 1996. - -№1. - с59-63.

43. С.С. Wong Model of the behavior iron-silicon alloys. // 2nd EPMESC Conf.- Guangzhou, China, 1984.

44. P. Gonda, P. Marcely, J.Macko Models of ferromagnetic hysteresis. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1984. - V.41. - №1. -p. 241-243.

45. A. Lopes Ribeiro Characterization of soft magnetic materials using a modified Stoner- Wohlfarth model // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1996. - V.135. - p. 97-100.

46. А.с. 1497595 СССР, G 01 R 33/14, Устройство для измерения динамических магнитных характеристик / Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф, Жуков В.А., Панов В.А. // БИ №28 05.06.88

47. Л.Я. Аронов, Д.К. Пискунов, Ю.В. Селезнев,В.Ю. Селезнев. Организация измерительно-вычислительных комплексов для магнитных измерений и магнитного контроля. Омск, Омский политехи, ин-т, 1988 г.

48. А.с. 1264119 СССР, G 01 R 33/14, Способ определения динамических петель гистерезиса ферромагнитных материалов / Селезнев Ю.В., Ефименко В.М., Иванова Н.И. // БИ №38 15.10.86

49. F.Fiorillo, A.Novikov. An Improved Approach to PowerLosses in Magnetic Laminations under Nonsinusoidal Induction Waveform. // IEEE

50. Transactions on Magnetics. vol.26 No.5, September 1990. - p. 2904 -2910.

51. Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Магнитоизмерительные приборы и установки М.: Энергоатомиздат, 1982. - с. 238.

52. Н. Ahlers Precision calibration procedure for magnetic loss testers using a digital two-channel function generator. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1996. - V.135. - p. 437-439.

53. Крохин B.B. Метрологические характеристики автоматизированных магнитоизмерительных комплексов. // Измерительная техника. -1999.-№11. -с. 36-39.

54. Амелин С.А., Строев Н.Н. Программно-аппаратный комплекс для исследования магнитных компонентов высокочастотных преобразователей напряжения. // Сборник научных трудов №8. Смоленск: Смоленский филиал МЭИ. 1995. - с 151 -159

55. В.П. Дьяконов. Система MathCAD. М.: Радио и связь., 1993. -128 с.

56. Влах И., Синнгхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. -560 с.

57. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем: Пер. с англ. /Под ред. В.Н. Ильина. М.: Энергия, 1980. - 640 с.

58. Novikov N. Stroyev, К. Stroyev, A. Shiriayev. PC-controlled complex for measuring parameters of soft magnetic materials at frequencies as high as 5 MHz. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. -V.133.- p. 429-432.

59. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB 5.0/5.3. Система символьной математики. М.: Нолидж.-1999.- 640 с.

60. Карлащук B.C. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 1999, - с. 506.

61. Дьяконов В.П., Пеньков А.А. Современные математические системы // PC Week/ RE. -1996. №3. с. 42-43,46-47,49.

62. Y. Saito, S. Hayano, T. Yamamura A representation of magnetic hysteresis. // IEEE Trans. Magnetics, vol. MAG-20, no. 5, Sept. 1984.

63. Глебов Б.А. Применение моделей процесса перемагничивания ферромагнетиков при анализе электрических цепей. // Электросвязь. -1998. -№6. -с. 23-25.

64. Строев Н.Н. Вопросы разработки моделей магнитных компонентов для анализа схем преобразователей с повышенной частотой коммутации // Сборник научных трудов №9 Смоленск: Смоленский филиал МЭИ. 1996. - С158-162.

65. Русин Ю.С. Трансформаторы звуковой и ультразвуковой часто. ты. Л.: Энергия, 1973. - 151 с.

66. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности: Учебное пособие для вузов в 2-х частях М.: Высшая школа, 1982.

67. Н. Fukunaga, Н. Abe, Y. Ohta Evoluation of magnetization models for simultaneous analysis of flux and temperature distributions in ferrite cores // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. - V.133. - p. 516-519.

68. D'Alessandro L. A method for the determination of the parametrs of the histeresis model of magnetic materials. // IEEE Trans. Instrum. and Mtfs., 1997,43, №4. p. 599-605.

69. Испытание магнитных материалов и систем./Под ред. А.Я. Шихи-на. М.: Энергоатомиздат, 1984.

70. G.Bertotti, E.Ferrara, F.Fiorillo, M.Pasquale Loss measurement on amorphous alloys under sinusoidal and distorted induction waveform using a digital feedback technique. //. J.Appl.Phys. 73(10), 15 may 1993, p.5375.

71. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. М.: Энергия, 1969.

72. Мирошник И.А. Методы измерения импульсных характеристик малогабаритных магнитных сердечников. М.: Энергия, 1977.

73. Эрглис К.Э., Степаненко И.П. Электронные усилители. М.: Наука, 1964.

74. М. Birkfeld, К.A. Hempel A device for measuring the magnetic properties of ring specimens at high frequencies // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. - V.133. - p. 391-395.

75. Измерения в электронике: Справочник/ Кузнецов В.А., Долгов В.А. и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с.

76. Сектор электронных компонентов: Россия 99 - М.: Додэка, 1999, т 1440 с.

77. Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование. М.: Советское радио, 1972.

78. ГОСТ 26.203-81 Комплексы измерительно-вычислительные. Признаки классификации. Общие требования.

79. Зарецкий М.М. Синтезаторы частоты с кольцом фазовой автоподстройки. Л.: Энергия, 1974.

80. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / В.В. Бачурин, В.Я. Ваксенбург, В.П. Дьяконов и др.: Под ред. В.П. Дьяконова. М.: Радио и связь, 1994.

81. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т. 1 и 2: Пер. с франц./ Под ред. Н.Г. Волкова. М.: Мир, 1983.

82. Корн Г.Дорн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. - 1974.-831 с.

83. Строев К.Н., Строев Н.Н. Измерение временных интервалов с помощью быстродействующих счетчиков серии 193. //Приборы и техника эксперимента. -1991.-№3 с.86-88.

84. Драбович Ю.И., Криштафович И.А. Определение параметров силовых трансформаторов транзисторных преобразователей на частотах до 1 мГц. // МДНТП им. Дзержинского.-М.: 1979. с.205-208.

85. Крохин В.В., Сущев A.K. Метрологическое обеспечение автоматизированных магнитоизмерительных комплексов. // Материалы ме-ждунар. науч. техн. конф. «Конверсия, приборостроение и рынок». -Владимир, 1997. с. 201.

86. Новиков В.К. и др Автоматизированный магнитоизмерительный комплекс АМК-С-03. //Измерительная техника. 1993. - №12. - с.42.

87. K.I. Arai, К. Ishiyama Resent developments of new soft magnetic materials. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. - V.133. p. 233-237.

88. Vitrovac Amorphous Metals. Wacuumschmelze GMBH. 1986.

89. A. Kedous-Lebouc, S. Errard, B. Cornut Magnetic loss and B(H) behaviour of non-oriented electrical sheets under a trapezoidal exciting field // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. - V.133. - p. 180182.