Настройка гистерезисной модели симулятора LTspice
| ©2004 Валентин Володин | 
 |
 |
В отличие от модели Джайлса-Атертона, которая используется сейчас в большинстве коммерческих SPICE-симуляторов, гистерезисная модель симулятора LTspice, в качестве параметров настройки, использует параметры петли магнитного гистерезиса, которые перечислены в таблице 1.
| Параметр | Описание | Единицы измерения |
|---|---|---|
| Hc | Коэрцитивная сила | А/м |
| Br | Остаточная индукция | Тл |
| Bs | Индукция насыщения | Тл |
Параметры модели, перечисленные в таблице 1, имеют простой и понятный физический смысл.
Кроме этого, гистерезисная модель отличается тем, что вполне адекватно воспроизводит как предельные, так и частные циклы перемагничивания ферромагнитных материалов.Однако, не смотря на простой и немногочисленный набор параметров, гистерезисная модель все же требует определенной процедуры настройки. При моделировании ферромагнитного сердечника, работающего в сильных магнитных полях, важно чтобы модель адекватно имитировала насыщение сердечника, а также потери перемагничивания. И вот здесь возникают трудности с выбором параметров. Дело в том, что уровень насыщения гистерезисной модели устанавливается параметром Bs , который определяет предельную величину, к которой стремится индукция, если напряженность магнитного поля стремится к бесконечности (без учета составляющей μ0H). В своих справочных данных производитель также указывает индукцию насыщения Bs, которая однако не является предельной величиной индукции. Обычно в качестве Bs указывается индукция соответствующая большой (например 1200А/м), но не бесконечно большой, напряженности магнитного поля. Использование этого параметра для настройки модели приведет к тому, что модель будет насыщаться раньше, чем реальный ферромагнитный материал.
Параметры настройки Hc и Br одновременно используются в модели для задания гистерезиса и аппроксимации кривой намагничивания на участке с индукцией B ≤ Br. Однако, на практике более важными являются свойства ферромагнитного материала при работе в сильных полях (участок кривой перемагничивания в области перегиба), а не в области полей с индукцией B ≤ Br. Кроме этого, в своих справочных данных, производитель указывает значения Hc и Br для какого-то определенного случая (например для частоты перемагничивания 10 кГц). Использование этих параметров для настройки модели, по меньшей мере, приведет к тому, что модель будет не верно имитировать потери перемагничивания, если ферромагнитный материал используется на другой частоте.
Ранее я приводил методику ручного подбора параметров настройки гистерезисной модели. Однако использование данной методики приводит к большим затратам времени. Предлагаемый калькулятор позволяет избежать затрат времени, а также повысить точность настройки модели. В качестве исходных данных для этого калькулятора используются справочные данные, которые обычно приводятся производителями.
Для примера, рассмотрим феррит N87 Epcos. Допустим, что мы собираемся использовать этот феррит в сердечнике трансформатора LLC преобразователя, где он будет симметрично перемагничиваться от -0.2 Тл до 0.2 Тл с частотой 100 кГц. Предполагается, что при этом температура ферритового сердечника достигнет 100°С.
В справочных данных производитель приводит вид динамических петель гистерезиса для температур 25°С и 100°С, полученных при частоте перемагничивания 10 кГц. Выбираем график для температуры 100°С. В качестве исходных данных для калькулятора мы можем использовать как верхний, так и нижний участки петли гистерезиса. Используем верхний участок. На этом участке нам нужно выбрать три точки и определить их координаты. Первая точка располагается в том месте, где кривая пересекает ось абсцисс (B=0) и, соответственно, имеет координаты Hc : B=0. Вторая точка располагается в области перегиба верхнего участка и имеет координаты Hp : Bp. Третья точка располагается в области максимальной индукции и имеет координаты Hs : Bs. Определим из графика координаты этих точек:
Hc = -16.5 А/м; Hp = 109 А/м: Bp = 0.356 Тл; Hs = 1200 А/м: Bs = 0.39 Тл.
Далее определим потери для случая перемагничивания сердечника с частотой Floss = 100 кГц, максимальной индукции Bm = 0.2 Тл и температуры 100°С. Используя графические данные производителя определим потери для указанных условий Ploss = 376 кВт/м3.
Вводим исходные данные в соответствующие ячейки калькулятора и давим на кнопочку "Посчитать". Калькулятор выдает строку параметров модели:
Hc=8.9816 Br=0.15745 Bs=0.39433