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BA – Implementierung eines Verlustmodells

Implementierung eines Verlustmodells prototypisch vorliegender induktiver Komponenten in Schaltungssimulatoren

Kurzzusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Simulation der Verluste induktiver Komponenten entwickelt, das im Schaltungssimulator LTSpice für Verlustberechnungen angewendet werden kann. Der Fokus liegt dabei auf der Modellierung von prototypisch vorliegenden Spulen. Es wird ein Überblick über existierende Verlustmechanismen in den Spulenwindungen sowie im Kernmaterial und deren Ursache gegeben. Weiterhin werden bereits existierende Ansätze zur Modellierung von Verlusten aus der Literatur vorgestellt und diskutiert (siehe Kapitel 2). Die Entwicklung des Gesamtmodells erfolgt über eine getrennte Betrachtung vonWicklungs- und Kernverlusten sowie eine anschließende Kombination der beiden Modelle im Schaltungssimulator. Die Wicklungsverluste lassen sich in einen Gleichanteil und requenzabhängige Anteile unterteilen. Unter Berücksichtigung des linearen Zusammenhangs zwischen der Amplitude des Erregersignals und den resultierenden Wicklungsverlusten wird in Kapitel 3 eine prototypisch vorliegende Komponente kleinsignalmäßig in einem festgelegten Frequenzbereich vermessen. Auf Grundlage des gemessenen Impedanzverlaufs werden in Kapitel 4 bestehende Ersatznetzwerke untersucht, die den Impedanzverlauf der realen Komponente abbilden. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf ein Netzwerk gelegt, das die Wicklungsimpedanz mit Hilfe einer leiterförmigen Anordnung aus Widerständen und Spulen abbildet. Eine mögliche Erweiterung dieses Netzwerks zur Erhöhung der Genauigkeit wird vorgestellt. Zudem wird ein Programm entwickelt, das die konkrete Ermittlung der Bauteilwerte in den vorgestellten Ersatznetzwerken mit Hilfe von Minimierungsalgorithmen übernimmt. Über eine Implementierung der betrachteten Modelle in LTSpice werden abschließend die Resultate für sinusförmige
und dreieckförmige Aussteuerungen verifiziert. Die Kernverluste einer induktiven Komponente, die sich aus Hystereseverlusten, Wirbelstromverlusten und einem nicht weiter spezifizierten Anteil zusammensetzen, werden auf Grundlage empirisch ermittelter Parameter in der sogenannten Steinmetz-Formel repräsentiert. Die spezielle Kernform der Komponente wird durch eine äquivalente Ringkerngeometrie substituiert, womit Verluste durch nicht-homogene Randgebiete vernachlässigt werden. Für nicht-sinusförmige Stromformen werden existierende Erweiterungen der Steinmetz-Formel vorgestellt und die sogenannte „Revised Generalized Steinmetz-Equation“ RGSE im Schaltungssimulator LTSpice implementiert. Nach einem Vergleich der Simulationsergebnisse bei sinusförmigen Aussteuerungen mit Herstellerangaben werden Möglichkeiten und Grenzen des vorgestellten Modells diskutiert. Die Zusammenfassung der Wicklungs- und Kernverlustmodelle in einem Gesamtmodell
für LTSpice rundet die Arbeit ab.

Abstract

In this thesis a loss-model of inductive components is developed, which can be used for loss calculations in a circuit simulator like LTSpice. The main work is focused on modelling of prototype coils. An overview of existing loss mechanisms in coil windings as well as losses in the core material is given. Furthermore, existing approaches for lossmodelling known from the literature are discussed (Chapter 2). The development of the overall model takes place via a separate consideration of winding and core losses and a subsequent combination of the two models in a circuit simulator. The winding losses can be divided into a dc component and frequency-dependent components. Taking into account the linear relationship between the magnitude of the exciting current and the resulting winding losses, a small-signal-analysis is performed in a defined frequency range in chapter 3. Based on the measured impedance curve, Basic equivalent circuits that model the frequency-dependent resistance of the real component are examined in chapter 4. Special attention is paid to a network that models the winding resistance with the aid of a ladder-shaped arrangement of resistors and inductances. A possible extension of this network to increase the accuracy of the model is presented. In addition, a program has been developed to determine the component values in the presented equivalent circuits with the help of minimization algorithms. By implementing
the models in LTSpice, the results for sinusoidal and triangular modulation are finally verified. The core losses of inductive components, which consist of hysteresis losses, eddy current losses and anomalous losses, are represented by means of empirically determined parameters in the so-called Steinmetz formula. The special core shape of the component is substituted by an equivalent toroidal core geometry, which neglects losses in nonhomogenious peripheral areas. In order to model the loss-behaviour during nonsinusoidal excitation, existing extensions of the Steinmetz formula are presented and the so-called „Revised Generalized Steinmetz-Equation“ RGSE is implemented in LTSpice. After drawing a short comparison between simulation results for sinusoidal outputs and datasheet information about loss behaviour of the specific core material the possibilities and limits of the presented model are discussed. Finally, a combination of the winding and core loss models in an overall model for LTSpice is presented.

Bearbeiter: Hannes Thielke

Betreuer: Stefan Ehrlich (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761556; Email: Stefan.Ehrlich@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März