一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统与方法

1.本发明涉及磁芯损耗测量技术领域，尤其是涉及一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统与方法。


背景技术：

2.电力电子功率变换器小型化，高频化发展趋势对功率器件的功率密度与效率提出了更高的要求，而磁性元件的磁芯损耗是功率变换器损耗的重要部分，因此磁芯损耗的准确测量对功率变换器系统设计与运行具有重要意义。
3.目前已有的磁芯损耗测量方法可大致分为热方法与电方法两类。热方法的基本思想是通过测量热室中由磁芯损耗引起的温度变化得到损耗量。电方法通常采用双绕组法，在注入正弦电压条件下，通过测量磁性元件电压与电流计算磁芯损耗。为提高精度，双绕组法往往外加调谐电容在谐振条件下测量磁芯损耗。
4.对比现有的磁芯损耗测量技术可知：热方法测量精度高，但对热室要求高，操作复杂，测量时间较长；双绕组法实施简便，但会因电压、电测量相差引起磁芯损耗测量误差。特别对于高频磁芯，由相差引起的测量误差往往不容忽略。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种测量精度高、简便高效的基于开关振荡的磁芯损耗测量系统与方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.根据本发明的第一方面，提供了一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统，该系统包括：
8.可调直流电源：并联在直流电容两端，用于给直流电容充电；
9.直流电容：为磁芯损耗测试提供能量；
10.待测磁性元件：并联在直流电容两端；
11.调频电容：并联在待测磁性元件两端，用于调整磁芯损耗测试的目标频率；
12.开关：第一开关k1安装在直流电容与可调直流电源之间，用于控制直流电容充电；第二开关k2安装在直流电容与待测磁性元件之间，用于激发高频振荡；
13.信号采集模块：使用电流探头测量流经待测磁性元件电流i
l
，使用电压探头测量调频电容两端电压uc；
14.磁芯损耗计算模块：对测量得到的电感电流、电容电压进行计算处理，得到磁芯损耗数据并绘制磁芯损耗密度曲线。
15.优选地，所述调频电容为低损耗调频电容。
16.优选地，所述待测磁性元件为电感或变压器。
17.优选地，所述磁芯损耗密度曲线为磁芯损耗密度与磁通密度幅值的关系曲线，其中磁芯损耗密度是单位体积内的磁芯损耗。
18.根据本发明的第二方面，提供了一种采用上述的基于开关振荡的磁芯损耗测量系统的方法，该方法包括以下步骤：
19.步骤s1、直流电容充电：第一开关k1合闸，第二开关k2断开，调节可调直流电源将直流电容充电到u0；
20.步骤s2、待测磁性元件充能：断开第一开关k1后合闸第二开关k2，等待t0后关断第二开关k2；
21.步骤s3、振荡测试：测量流经待测磁性元件的电流i
l
与调频电容两端电压uc；
22.步骤s4、数据处理：计算磁芯损耗密度并绘制曲线。
23.优选地，所述步骤s4具体为：
24.选取相邻两个周期，计算出磁芯损耗密度曲线上的一个点；
25.按时间依次选取相邻两个周期得到多个磁芯损耗密度曲线上的点，拟合得到磁芯损耗密度曲线。
26.优选地，根据电压电流振荡波形，磁芯损耗密度曲线中第i点对应的磁芯损耗密度和磁通密度计算公式为：
[0027][0028][0029]
其中u
peak_i
、u
peak_i+1
分别为电压振荡中第i与i+1个峰值；i
peak_i
、i
peak_i+1
分别为u
peak_i
与u
peak_i+1
时刻对应的电流振荡包络线的值；v是磁芯体积；n为待测磁性元件的匝数；a为待测磁芯截面积；ω为振荡角频率；p
core_loss_i
是磁芯损耗密度曲线中第i点的磁芯损耗密度。
[0030]
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。
[0031]
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033]
1)精度高：当前工程上常用的双绕组法难以消除由电压与电流测量相差所引起的磁芯损耗测量误差(如两个探头延时相差等)；特别是在高频段，电压与电流测量相差的影响很大；本发明通过测量电压、电流峰值计算磁芯损耗，不存在测量相差问题；
[0034]
2)简便高效：测量回路结构简单，无需高端昂贵的设备，且一次测量可以得到磁芯损耗密度曲线上的多个点。
附图说明
[0035]
图1为磁芯损耗测量系统结构示意图；
[0036]
图2为磁芯损耗测量方法流程图；
[0037]
图3为振荡电压电流波形示意图；
[0038]
图4为双绕组法系统图；
[0039]
图5为300khz下测试结果；
[0040]
图6为200khz下测试结果。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0042]
实施例
[0043]
本实施例给出了一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统，如图1所示，该系统包括：
[0044]
可调直流电源：并联在直流电容两端，用于给直流电容充电。
[0045]
直流电容：为磁芯损耗测试提供能量；实际系统中可以用容量较大的电解电容。
[0046]
待测磁性元件：并联在直流电容两端；实际系统中待测磁性元件可以是电感或变压器，并联在直流电容两端。
[0047]
调频电容：并联在待测磁性元件两端，用于调整磁芯损耗测试的目标频率；实际系统中调频电容选用等效串联电阻较小的电容，如薄膜电容、陶瓷电容、云母电容等低损耗调频电容。
[0048]
开关：第一开关k1安装在直流电容与可调直流电源之间，用于控制直流电容充电；第二开关k2安装在直流电容与待测磁性元件之间，用于激发高频振荡；
[0049]
信号采集模块：使用电流探头测量流经待测磁性元件电流i
l
，使用电压探头测量调频电容两端电压uc；
[0050]
磁芯损耗计算模块：对测量得到的电感电流、电容电压进行计算处理，得到磁芯损耗数据并绘制磁芯损耗密度曲线。其中，磁芯损耗密度曲线为磁芯损耗密度与磁通密度的关系曲线，其中磁芯损耗密度是单位体积内的磁芯损耗。
[0051]
接下来，给出了一种采用上述的基于开关振荡的磁芯损耗测量系统的方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
[0052]
步骤s1、直流电容充电：第一开关k1合闸，第二开关k2断开，调节可调直流电源将直流电容充电到u0；
[0053]
步骤s2、待测磁性元件充能：断开第一开关k1后合闸第二开关k2，等待t0后关断第二开关k2；
[0054]
步骤s3、振荡测试：测量流经待测磁性元件的电流i
l
与调频电容两端电压uc；
[0055]
步骤s4、数据处理：计算磁芯损耗密度并绘制曲线，具体为：
[0056]
根据图2的测量步骤，第二开关k2关断后产生高频振荡的电压电流波形示意图如图3所示。选取相邻两个周期，计算出磁芯损耗密度曲线上的一个点；
[0057]
按时间依次选取相邻两个周期得到多个磁芯损耗密度曲线上的点，拟合得到磁芯损耗密度曲线。
[0058]
根据电压电流振荡波形，磁芯损耗密度曲线中第i点对应的磁芯损耗密度和磁通密度幅值计算公式为：
[0059][0060][0061]
其中u
peak_i
、u
peak_i+1
分别为电压振荡中第i与i+1个峰值；i
peak_i
、i
peak_i+1
分别为u
peak_i
与u
peak_i+1
时刻对应的电流振荡包络线的值；v是磁芯体积；n为待测磁性元件的匝数；a为待测磁芯截面积；ω为振荡角频率；p
core_loss_i
是磁芯损耗密度曲线中第i点的磁芯损耗密度。
[0062]
本实施例测量系统的主要参数如下表1所示，待测磁性元件为电感元件。分别设定调频电容容值为1940pf、4620pf。根据图2的步骤，使用电流探头与电压探头分别得到振荡频率为300khz、200khz的振荡电流与电压信号；再根据公式(1)，(2)计算得到的结果绘制磁芯损耗密度曲线。
[0063]
表1测试系统参数
[0064][0065]
双绕组法：双绕组法系统图如图4所示，由信号发生器、功率放大器、待测磁性元件、调谐电容、信号采集模块与计算模块组成。分别设定信号发生器频率为300khz与200khz，幅值为v
j1
与v
j2
，波形为正弦。再分别设定调谐电容容值为1940pf与4620pf。测量电感电流与功率放大器输出电压。通过电压与电流数据求得磁芯损耗密度以及对应的磁通密度幅值，得到磁芯损耗密度曲线上一个点。改变信号发生器输出电压幅值，就可以得到不同的点。测试结果如图5、图6所示。
[0066]
本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
[0067]
设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0068]
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法s1～s4。例如，在一些实施例中，方法s1～s4可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的方法s1～s4的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法s1～s4。
[0069]
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)等等。
[0070]
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0071]
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0072]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统，其特征在于，该系统包括：可调直流电源：并联在直流电容两端，用于给直流电容充电；直流电容：为磁芯损耗测试提供能量；待测磁性元件：并联在直流电容两端；调频电容：并联在待测磁性元件两端，用于调整磁芯损耗测试的目标频率；开关：第一开关k1安装在直流电容与可调直流电源之间，用于控制直流电容充电；第二开关k2安装在直流电容与待测磁性元件之间，用于激发高频振荡；信号采集模块：使用电流探头测量流经待测磁性元件电流i
l
，使用电压探头测量调频电容两端电压u
c
；磁芯损耗计算模块：对测量得到的电感电流、电容电压进行计算处理，得到磁芯损耗数据并绘制磁芯损耗密度曲线。2.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统，其特征在于，所述调频电容为低损耗调频电容。3.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统，其特征在于，所述待测磁性元件为电感或变压器。4.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统，其特征在于，所述磁芯损耗密度曲线为磁芯损耗密度与磁通密度幅值的关系曲线，其中磁芯损耗密度是单位体积内的磁芯损耗。5.一种采用权利要求1～4任一项所述的基于开关振荡的磁芯损耗测量系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤s1、直流电容充电：第一开关k1合闸，第二开关k2断开，调节可调直流电源将直流电容充电到u0；步骤s2、待测磁性元件充能：断开第一开关k1后合闸第二开关k2，等待t0后关断第二开关k2；步骤s3、振荡测试：测量流经待测磁性元件的电流i
l
与调频电容两端电压u
c
；步骤s4、数据处理：计算磁芯损耗密度并绘制曲线。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：选取相邻两个周期，计算出磁芯损耗密度曲线上的一个点；按时间依次选取相邻两个周期得到多个磁芯损耗密度曲线上的点，拟合得到磁芯损耗密度曲线。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据电压电流振荡波形，磁芯损耗密度曲线中第i点对应的磁芯损耗密度和磁通密度幅值计算公式为：线中第i点对应的磁芯损耗密度和磁通密度幅值计算公式为：其中u
peak_i
、u
peak_i+1
分别为电压振荡中第i与i+1个峰值；i
peak_i
、i
peak_i+1
分别为u
peak_i
与u
peak_i+1
时刻对应的电流振荡包络线的值；v是磁芯体积；n为待测磁性元件的匝数；a为待测
磁芯截面积；ω为振荡角频率；p
core_loss_i
是磁芯损耗密度曲线中第i点的磁芯损耗密度。8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5～7任一项所述的方法。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求5～7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种基于开关振荡的磁芯损耗测量系统及方法，该系统包括：可调直流电源：并联在直流电容两端，用于给直流电容充电；直流电容：为磁芯损耗测试提供能量；待测磁性元件：并联在直流电容两端；调频电容：并联在待测磁性元件两端，用于调整磁芯损耗测试的目标频率；开关：第一开关安装在直流电容与可调直流电源之间，用于控制直流电容充电；第二开关安装在直流电容与待测磁性元件之间，用于激发高频振荡；信号采集模块：测量流经待测磁性元件电流和调频电容两端电压；磁芯损耗计算模块：对测量得到的电感电流、电容电压进行计算处理，得到磁芯损耗数据并绘制磁芯损耗密度曲线。与现有技术相比，本发明具有精度高、简便高效的优点。效的优点。效的优点。


技术研发人员：向大为 孙志文 李豪
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/9