用 LTspice这样对电感建模

用 LTspice这样对电感建模

电感器作为电子元件的重要支柱，其性能与特性对电路起着关键作用。本文将深入解析如何运用电路仿真程序 LTspice 对电感进行建模。要知道，在 LTspice 中，仿真精度与所用模型的精度紧密相关。我们将依次探讨三种不同的仿真模型，从复杂度最低的线性模型入手，深入到非线性模型，最后详细剖析复杂度最高的 CHAN 模型。在此过程中，我也会分享一些实用的 LTspice 操作技巧，助力你更好地掌握这一强大工具。

电感器是磁能存储的上限。当达到饱和电流时，电感器会失去磁导率等磁性。发生这种情况时，电感器无法继续存储能量。

一旦通过电感器循环的电流减小，这种情况就会逆转。必须在模型中考虑这种饱和概念，以便对电源等磁性元件至关重要的应用进行准确仿真。

电感器的特点是，即使去除流经电感器的磁化电流，与电感器磁芯材料相关的磁通密度也不会自行降低到零。我们需要在相反的方向上施加电流，以将电感恢复到非磁化状态。这种现象称为磁滞，是决定磁性材料应用的主要特性之一。

电感的磁滞回线。

如上图所示，我们可以看到电感中存在的磁通量不仅取决于施加的电流，还取决于电感的先前状态。

电感器中的电阻、电容和温度

理想情况下，电感器只存在电感，以亨利 （H） 为单位。然而，在现实世界中，我们必须与电感元件中始终存在的寄生效应作斗争。因为这些寄生效应使电感的行为不理想，所以我们在仿真电感时不能忽视它们。

虽然我们不会在本文中花太多时间讨论电感的磁性，但以下是相关参数列表，这些参数将帮助我们在 LTspice 中仿真电感时提高模型的准确性：

• Rseries：由于铜的有限电阻率（也称为直流电阻）而导致的串联电阻
• Rparallel：磁芯损耗引起的并联电阻
• Cparallel：连续绕组的电容
• 温度系数：考虑电感器可以通过自热改变其磁性（由于流经电感的电流和寄生电阻）的事实

将这些值添加到仿真中将有助于您生成更真实的结果，这些结果将更接近给定电感的实际行为。

仿真选项 1：简单线性模型

第一个模型包括上面列出的所有参数，并执行线性电路中发生的仿真。

幸运的是，我们没有必要手动添加每个 parasitic 组件。为了使仿真运行得更快，LTspice 包含内部模型。

如果右键单击电感器，您将看到以下窗口：

LTspice 中电感的寄生元件

这是 LTspice 的一个技巧！如果您没有为并联电阻引入任何值，LTspice将包含一个默认值。如果您想停用此选项，请浏览 工具 菜单并选择 控制面板.从这里，选择 Hacks！选项卡，如下所示。

LTspice 中的默认并联电阻 （Rpar） 选项

您需要取消选中“如果未给出 Rpar，则提供最小电感阻尼”框。

仿真选项 2：非线性模型

当线性模型不够用时， LTspice 提供了考虑电感饱和的方法。我们可以定义确定电感磁通量的函数。

为了定义 inductor flux，我们需要修改 netlist。这可以通过按 “CTRL” 键，然后右键单击电感来完成。这将打开以下窗口：

变量 “x” 是指电感电流。我们可以在“值”字段中输入我们自己的信息，然后按“确定”按钮。现在，为了验证我们的输入，我们在菜单中选择“View”，然后选择“SPICE Netlist”。这就把我们带到了原理图编辑器。

在我们的示例中，我们的仿真电路由一个与电流源串联的电感器组成。

电感两端的电压可以表示为

因此，由于我们表示的是电流的变化，因此可以通过测量电感两端的电压直接获得电感。

为清楚起见，我们绘制表达式 V（ind）/1V 以去除电压单位。垂直刻度是线性的。

如果我们回想一下电感的磁通量等于电感乘以电流，我们就可以明白为什么电感会以这种方式减小。在 1 秒的仿真过程中，电流以稳定的速率增加，但由于饱和，磁通量不会稳定增加。电感的减小反映了电流和磁通量之间关系的这种变化。

为了进一步分析，我们可以将电感绘制为电流的函数。我们以 0.01 的步长将电流从 -3 安培增加到 3 安培。

该电路产生以下图：

模拟选项 3：CHAN 模型

在设计磁性元件时，我们需要控制我们之前讨论的电感器的所有参数。有时，在 LTspice 或任何其他仿真工具中对所有这些进行建模可能很困难。

LTspice 中还有第三个模型，即 CHAN 模型，由 John Chan 创建，并在题为“用于电路仿真的非线性变压器模型”的研究论文中进行了讨论。该模型的准确性已得到广泛证明，它只需三个参数即可对磁滞回线进行建模：

• 矫顽力 （Hc），单位为安培圈数/米
• 残余磁通量密度 （Br），单位为 Tesla
• 饱和磁通量密度 （Bs），单位：特斯拉

此外，还需要添加电感器的机械方面：

• 磁长 （Lm），单位 米
• 间隙长度 （Lg），单位 米
• 横截面积 （A），单位：平方米
• 匝数 （N）

让我们看看如果包含所有这些参数，我们之前使用的同一电路会发生什么。

现在我们将电感绘制为电流的函数：

结论

电感器是电子产品中复杂而关键的元件。LTspice 通过提供快速准确的方法来仿真设计人员，使设计周期更加轻松。根据电路的复杂程度，您可以使用此处介绍的三种模型之一。

本文中的电路非常基本，但它们是进一步分析的良好起点。速度和精度之间存在权衡，但 LTspice 通常非常快，因此始终建议尽可能使用最精确的模型。