← 返回
基于历史依赖Prandtl-Ishlinskii神经网络的任意激励波形下准静态铁心损耗预测
History-Dependent Prandtl–Ishlinskii Neural Network for Quasi-Static Core Loss Prediction Under Arbitrary Excitation Waveforms
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 智能化与AI应用 |
| 技术标签 | 深度学习 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 磁芯损耗预测 HDPI - NN模型 磁化机制 模型训练 可靠性验证 |
语言:
中文摘要
电力电子应用中的磁性元件通常会经历包含高频谐波和/或直流偏置的复杂激励波形。这种复杂性对传统的磁芯损耗建模方法提出了挑战,这些方法往往容易出现严重误差,或者仅适用于某些类型的激励波形。本文提出了基于历史依赖的普朗特 - 伊斯林斯基神经网络(HDPI - NN),用于在任意激励下准确预测准静态磁芯损耗。HDPI - NN 通过考虑磁性材料更完整的磁化机制(即磁畴壁运动、磁畴旋转和记忆效应),并利用专门的神经网络确定模型参数,实现了较高的建模精度和通用性。获取了硅钢 B35A270 和铁氧体 N87 的准静态磁损耗测量数据以支持模型训练。通过严格的验证和对比实验,证实了所提出模型的可靠性。结果表明,即使仅使用 200 多个包含对称和低频谐波的数据进行训练,所提出的 HDPI - NN 模型也能够准确预测在直流偏置和/或高频谐波条件下被激励的磁性材料的磁滞行为。
English Abstract
Magnetics in power electronics applications often experience complex excitation waveforms containing high frequency harmonics and/or dc bias. Such a complexity challenges conventional magnetic core loss modeling methods, which are often prone to serious errors or only applicable to certain types of excitation waveforms. This article presents History-Dependent Prandtl-Ishlinskii Neural Network (HDPI-NN) for accurate quasi-static core loss prediction under arbitrary excitations. The high modeling accuracy and generality of HDPI-NN, is achieved by accounting for a more complete set of magnetization mechanism (i.e., domain wall motion, domain rotation, and memory effect) of magnetic materials, with model parameters determined by a specialized neural network. Quasi-static magnetic loss measurements for silicon steel B35A270 and ferrite N87 were acquired to support model training. The reliability of the proposed model has been confirmed through rigorous verification and comparative experiments. The results show that the proposed HDPI-NN model, even when trained only with 200+ data containing symmetric and low-frequency harmonics, is able to accurately predict the hysteresis behavior of the magnetic material excited under dc bias and/or higher frequency harmonic conditions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于历史相关Prandtl-Ishlinskii神经网络的磁芯损耗预测技术具有重要的工程应用价值。在我司光伏逆变器和储能变流器产品中,磁性元件(如高频变压器、电感)是核心功率器件,其损耗特性直接影响系统效率和热管理设计。
该技术的核心价值在于能够准确预测复杂激励波形下的磁芯损耗。我司产品实际运行中,磁性元件常面临含高频谐波、直流偏置的非正弦激励,这在多电平拓扑、混合储能系统中尤为突出。传统建模方法在此类工况下误差较大,而HDPI-NN模型通过神经网络捕捉畴壁运动、畴旋转和记忆效应等完整磁化机制,显著提升了预测精度和泛化能力。论文验证显示,仅用200余组对称低频数据训练,即可准确预测直流偏置和高频谐波工况,这对降低实验成本、加速产品开发具有实际意义。
从技术成熟度评估,该方法已完成硅钢B35A270和铁氧体N87的实验验证,可直接应用于我司常用磁性材料的损耗建模。在产品设计阶段,精确的损耗预测能优化磁性元件设计,提升逆变器和储能系统的转换效率0.5-1个百分点,这在大规模应用中将带来显著经济效益。
技术挑战主要在于神经网络模型的工程化部署和不同批次材料的一致性问题。建议我司技术团队关注该方法在宽温度范围、老化条件下的适用性验证,并探索与现有电磁仿真平台的集成方案,将其纳入数字化设计工具链,进一步提升我司在高效率电力电子装备领域的技术领先优势。