Modeling and analysis of magnetic components used in high-frequency power electronics systems

Abstract

W przekształtnikach wysokoczęstotliwościowych elementy magnetyczne odpowiadają za większość strat mocy, objętość i koszt. Praca skupia się na nowej metodzie pomiaru i obliczania zespolonej przenikalności magnetycznej oraz strat w rdzeniach ferrytowych. Metoda opiera się na szeregowym modelu dławika z jedną zmienną dopasowującą, co pozwala na dokładne odwzorowanie zachowania elementu niezależnie od jego parametrów. Model zweryfikowano matematycznie i eksperymentalnie, osiągając błąd dopasowania poniżej 2%. Na podstawie pomiarów opracowano ulepszony model dławika, rozdzielając pojemność pasożytniczą na część związaną z uzwojeniem i z rdzeniem oraz wprowadzając częstotliwościowo zależny ESR. Przedstawiono również nowy model strat rdzenia - iRESE, będący rozwinięciem RESE, łączący równanie Steinmetza z modelem małosygnałowym, uwzględniający sygnały prostokątne, składową stałą, nasycenie rdzenia i wpływ temperatury. Model ma strukturę modułową, umożliwiając jego elastyczne zastosowanie. Metodę zweryfikowano pomiarowo, a także poprzez analizę błędów. Wyniki wykazały dużą zgodność, choć model SPICE wymaga dalszego dopracowania ze względu na nielinowy character prądu magnesującego. Metoda oprócz zastosowań w przekształtnikach energoelektronicznych ma też zastosowanie w systemach z przebiegami niesinusoidalnymi, jak falowniki EV czy bezprzewodowe systemy zasilania. In high-frequency power electronics, power inductors often dominate losses, size, and cost. This research addresses and improves methods for calculating and measuring complex permeability and core losses in ferrite-based magnetic components used in SMPSs. A new measurement technique uses a series-equivalent inductor model with a single fitting variable, accurately estimating permeability across different sizes, geometries, windings, and frequencies. Validation includes mathematical analysis and test-bench measurements, showing less than 2% fitting error if stray capacitor ESR loss tangent is properly defined. Based on these measurements, an enhanced inductor model is proposed, separating winding- and core-related stray capacitance for improved SPICE AC loss modeling. Regarding core loss, an improved RESE (iRESE) model is introduced, unifying Steinmetz and small-signal permeability models. It handles sinusoidal/rectangular excitations, DC bias, saturation roll-off, and temperature effects. Its modular design allows flexible use in diverse applications. Validated through measurements and error analysis, results show excellent agreement, though current SPICE accuracy is limited by the non-linear magnetizing current model, scheduled for future work. While developed for SMPS, the method applies to systems with non-sinusoidal waveforms, such as EV inverters and wireless power systems.