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功率电感的非线性行为机理及其建模方法研究

功率电感的非线性行为机理及其建模方法研究

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作者：尹璐杭州电子科技大学

学位级别：硕士

由于功率电感拥有低直流电阻、大功率、较好的耐电流的优秀特性,功率电感被广泛应用于智能手机、便捷式电脑行业。但随着工艺尺寸的减小,使用频率范围的逐渐提高,使其容易产生寄生效应,如趋肤效应和邻近效应,因此这便提高了功率电感的... 详细信息

由于功率电感拥有低直流电阻、大功率、较好的耐电流的优秀特性,功率电感被广泛应用于智能手机、便捷式电脑行业。但随着工艺尺寸的减小,使用频率范围的逐渐提高,使其容易产生寄生效应,如趋肤效应和邻近效应,因此这便提高了功率电感的建模难度。除此之外,在实际使用过程中,工作环境往往是不稳定的,容易影响到功率电感的工作特性。例如,由于绕线功率电感的工作电流不恒定,导致其磁芯的磁通量发生变化,进而发生磁化,表现出直流依赖性;另一方面,温度的变化会影响磁芯的导磁率,电感量也会随之变化,表现出温度依赖性。在当前电感模型的研究领域中,虽然存在着考虑了直流依赖性的模型研究或者考虑了温度依赖性的模型研究,但在实际使用情况中,直流偏置和温度的影响往往是同时存在的。因此,分析非线性功率电感的工作特性,研究其非线性行为机理并搭建高精度的非线性电感模型库成为了一个非常重要的任务。本文对非线性功率电感模型的行为机理、器件模型和参数提取进行深入的分析,在静态模型的基础上,考虑非线性功率电感模型关注的直流依赖性和温度依赖性。文章的主要工作如下:(1)首先介绍了电磁学理论的相关知识,主要是围绕着电流与磁场的关系进行介绍,为后续非线性功率电感模型的研究奠定基础。(2)接着在电感的静态等效电路中主要考虑了器件存在的自感、互感、分布电容,以及损耗机制。对比目前常用的磁珠和射频电感的等效电路模型,推出功率电感的等效电路模型。在静态模型的基础上通过添加受控电流源,从而反映电子元器件在直流偏置时所发生的特性变化。本文也研究了温度依赖性,通过对测试数据的参数提取获得相应的温度影响系数。由此推出了本文所使用的静态模型、动态模型、温度模型。(3)介绍了二端口网络矩阵参数的定义,主要推导了各网络矩阵之间的转化公式,为参数提取做准备。在测试数据的基础上,提出了合理的去嵌方式、参数提取,以及建模流程。根据频率特性曲线、直流特性曲线、温度特性曲线,对模型的提取流程做了进一步的优化,获得更精准的非线性功率电感模型。(4)对静态模型、动态模型、温度模型分别进行验证,比较仿真结果与测试数据,对比频率特性曲线、直流特性曲线、温度特性曲线,验证模型参数提取的可行性与准确性,最后基于ADS提出了一种优化方案。

关键词： SMD 功率电感电磁学直流依赖性温度效应

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