大功率平面变压器的设计与仿真优化.pdf

2 奘名是暴：署 M 。妇n 现E l 代e c t 电r o 子n i c 技sT 术e c q u e v 乩N o v ，9 2 0 1 6 2 ： d o i ：1 0 1 6 6 5 2 j i s s n 1 0 0 4 3 7 3 x 2 0 1 6 2 2 0 4 1 大功率平面变压器的设计与仿真优化 付志恒，王庆峰，刘庆想 ( 西南交通大学物理科学与技术学院，I t ) J I 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要：针对大功率开关电源中传统变压器的体积大、效率低等问题，提出用平面变压器代替传统变压器的方法。基 于L C 串联谐振拓扑电路设计一个大功率平面变压器，介绍了平面变压器的磁芯和绕组的设计过程，建立平面变压器的三维 模型，并通过有F I t , - L 软件A n s o f tM a x w e l l 在三维涡流场中对平面变压器的绕组损耗和漏感进行仿真，利用仿真结果实现平面 变压器的优化设计。最后基于该文参数介绍了将L c 谐振电路中的谐振电感集成到平面变压器的过程 关键词：串联谐振；大功率平面变压器；有限元仿真；电感集成 中图分类号：T N 9 8 3 4 ；T M 4 3 文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 3 7 3 X ( 2 0 1 6 ) 2 2 一0 1 6 7 0 4 D e s i g na n ds i m u l a t i o no p t i m i z a t i o no fh i g h p o w e rp l a n a rt r a n s f o r m e r F UZ h i h e n g ，W A N GQ i n g f e n g ，L I UQ i n g x i a n g ( C o l l e g eo fP h y s i c a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ) 变压器作为开关电源中的重要磁性元件对电源的 体积、重量、损耗有重要的影响。随着电源向小型化和 高效化的方向发展，传统变压器的体积和效率都成为了 变压器优化的重点。近几年变压器发展迅速，尤其是平 面变压器的提出使得电力电子产品中的变压器性能得 到大幅度的提升。平面变压器因为其特殊的平面结构 和绕组的紧密耦合，使高频寄生参数大大降低，极大 地改进了开关电源的工作表现。文献【2 4 】都对平面变 压器进行了相应的研究，但目前平面变压器多用于高频 的小功率或者低压大电流场合，在高压大功率场合平面 变压器的研究和应用并不广泛，这主要是受到材料和工 艺方面的限制。不过随着材料和工艺上的进步，高压大 功率平面变压器将越来越受到重视。本文将重点介绍 收稿E t 期：2 0 1 6 - 0 3 1 7 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目 ( 2 6 8 2 0 1 4 C X 0 8 6 ：2 6 8 2 0 1 4 C X 0 8 9 ) 基于高压充电电源中的大功率平面变压器的设计并利用 有限元仿真软件A n s o f lM a x w e l l3 D 对其进行仿真优化。 1设计参数 本文研究的是一台应用于串联谐振充电电源的升 压变压器，串联谐振充电电源具有恒流充电、体积小、效 率高、功率密度大、适合宽范围变化的负载等优点，是较 为理想的电容充电电源”】，应用广泛。电路拓扑是全桥 L C 串联谐振电路，如图1 所示。 谐振频率为1 2 0k H z ，变压器匝比为l ：3 5 ，初级输 人电压为3 3 0V ，次级输出1k V 2 0k W ，因此次级输出 电流为2 0A ，初级输入电流为7 0A 。 2 模型设计 平面变压器的设计可采用估算法和设计程序的方 法”】。前者对变压器设计者的经验要求较高，设计出的 产品也无法保证是最佳产品，但设计过程较为灵活，可 e e H d 0 e m 篡焉一帅帅纛l 墨一 一一一一一 一 一一一一一一 黑罴羔一 一一一一一 一 一 一一一一一 一 丁山 c o 件h h m 删“一：茎讪川 姗删哪舢一 一一一一一 一 一灿一一一 吣一一一一一 岫_耋一删一曲一 羔黑羔罴一 砒 。慨 哪 m 叩妇 心 一一一一一一一 篇鬻黧慧 吨胁h k一池业脓 涨 剐m耐一眦枷m州 一一一一一一一 万方数据 1 6 8 现代电子技术 2 0 1 6 年第3 9 卷 以兼顾产品的工程实现过程；后者使平面变压器的设计 变的简单，设计的产品精度也较高，但是无法兼顾变压 器的工程实现。平面变压器的一致性使得平面变压器 的设计较为偏向后者，但是多集中于低压小功率产品， 在工程实现上的要求不高，因此本文依然采用估算和试 探的方法。 I z、 ： 、 I 2l 图1L C 串联谐振电路 2 1 磁芯的设计 磁芯设计分为两个方面，即磁芯材料的选择和磁芯 形状的设计。在开关电源中，应用最多的材料是软磁铁 氧体。主要有两类：镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。镍锌铁 氧体具有更高的电阻率，因此它适合于工作在1M H z 以 上的场合；而锰锌铁氧体电阻率较低，通常工作在 1M H z 以下，但具有较高的磁导率( 此) 和较高的饱和磁 通密度( 最) 。本文选择美磁公司的锰锌铁氧体材料T 材 作为磁芯材料，T 材具有较高的饱和磁通密度( 0 5 3T ) 和 较低的损耗密度且其损耗密度随温度的变化不大。 平面变压器磁芯型号的选取依然可以采用A 。法， 通过公式： 小酱 A 。= A 。A 。 ( 2 ) U ，X1 0 4 一i 夏丽 式中：A 。是磁芯截面积A 。和磁芯窗口面积A 。的乘积； 为绕组匝数；U 为变压器输入电压；，是输入电流； 墨是波形系数；K ，是窗口利用系数；B 是磁通密度；厂为 工作频率；J 为电流密度。在传统变压器中，窗口利用 系数一般选择0 4 ，设计平面变压器和采用P C B 绕制绕 组的方法进一步减小了窗口利用系数”1 ，因为在平面变 压器中P C B 绕组中P C B 板厚度远大于绕组的厚度，但 是随着P C B 板覆铜技术的发展，P C B 板覆铜厚度有了 较大的提升，在特殊板中绕组厚度可以设计到1 0O Z 以上并且板子厚度不变，这种情况下板子厚度与绕组 厚度相差不大，所以在选择窗口利用系数时要根据实 际情况选择合适的K 。值。根据计算结果可选择美磁 公司E E 型磁芯E 1 0 2 ，其磁芯截面积为5 2 5m m 2 ，磁芯 窗口宽度为3 6m m ，高为2 6 6m m 。 2 2 绕组设计 绕组匝数可根据伏秒数公式来计算，其表达式为： 一业f 4 1 1 K t B A ：f 式中，曰为磁感应增量，在开关电源中一般选择为饱和 磁通的1 2 或者2 3 。根据参数计算初级绕组匝数。可 在1 2 2 0 匝绕组之间选择。 平面变压器绕组选择的是P C B 板覆铜结构，其厚度 要小于2 倍的集肤深度以避免绕组的集肤效应。2 0 时集肤深度的计算公式为： = 6 6 1 仃 ( 5 ) 随着温度的升高集肤深度加深，所以绕组厚度可以 设计2 0 的集肤深度作为标准。根据计算结果 = 0 1 9m m ，绕组厚度可选择为0 3m m 。绕组的截面积与 绕组的电流密度，有关，电流密度t ，可以根据一些温升 的经验值来确定。但在高压大功率平面变压器的设计 过程中，其电流较大，绕组厚度并非远远低于2 倍集肤 深度，所以在设计过程中为了实现平面变压器的稳定工 作，电流密度，选择为1 0A r a m 2 。因此初级绕组的截面 积为7m m 2 ，次级绕组为2m m 2 。根据计算结果初级绕 组宽度为2 4m m ，次级绕组宽度为7m m 。 绕组的排布方式对平面变压器的绕组损耗具有一 定的影响，文献 8 1 0 】者B 介绍了不同绕组排布方式下绕 组的损耗大小，通过对比分析得出采用交叉绕组可大大 减小绕组的损耗和漏感，并且采用交叉绕组方式可使得 初次级并联绕组中的电流分布更加均匀l 。然而在大 电流环境中当电流分布均匀时并联绕组的损耗小于单 层绕组的损耗”。因此可将初次级绕组改为两层并联， 绕组宽度减半，且初次级绕组交叉分布。绕组结构如 图2 所示。 图2 绕组结构 从图2 中可以看出，初级绕组结构每层2 匝，次级绕 组结构每层6 匝。绕组匝数可在1 2 2 0 匝之间选择，为 得到损耗最小的绕组结构，本文为平面变压器设计5 种 绕组结构，如表1 所示，每种结构都采用交叉绕组方式。 不同绕组结构平面变压器的绕组损耗和磁芯损耗 都不相同，绕组损耗的计算可由一维D o w e l l 模型来计 万方数据 第2 2 期 付志恒，等：大功率平面变压器的设计与仿真优化 1 6 9 算，但计算过程较为复杂且理论计算结果与实际损耗偏 差较大。所以绕组损耗可采用有限元软件A n s o f tM a x w e l l 来仿真计算，采用三维涡流场对平面变压器进行仿 真，其仿真结果较为精确。仿真模型如图3 所示。 表1 五种绕组结构 磁芯损耗的计算可根据S t e i n m e t z 方程计算出磁芯 的损耗密度，然后根据磁芯体积得出磁芯的损耗。但 S t e i n m e t z 方程只适用于正弦波的输入波形，在L C 串联 谐振电路中，变压器电压输入波形为方波，所以S t e i n m e t z 方程在这里并不适用。文献1 3 1 根据S t e i n m e t z 方 程推出了适用于方波波形的磁芯损耗密度的计算公式： P F2 2 ”1 K 严B 9 D p ” ( 6 ) 式中：K ，a ，p 都是磁芯材料的参数；D 为占空比；B 。为 方波占空比为5 0 时的磁通密度峰值， B = V T 4 N Ae ) 。计算结果如表2 所示。 表2 损耗和漏感的仿真结果 由表2 可见，随着绕组匝数的变化磁芯损耗越来越 小，绕组损耗越来越大，但整体损耗变化不大，结构1 的 磁芯损耗和绕组损耗相近，且总体损耗最小，所以结 构1 可作为为5 种绕组结构中的最优化结构。 3 集成谐振电感 如图1 所示，在L C 串联谐振电路中变压器的漏感 可作为谐振电感的补偿电感或者直接作为谐振电感。 因此为减小电源体积可增大漏感代替谐振电感，即将谐 振电感集成到变压器中。改变绕组的交叉程度和增大 绕组层之间的距离都可以增大绕组的漏感，但增大漏感 的同时绕组的损耗也会相应增大，降低了电源的效率。 因此在调整平面变压器的绕组过程中要对损耗和漏感 进行均衡分析。 本文设计的变压器需满足L C 串联谐振电感为 1 8 x 1 0 H ，调整方式1 的绕组排布方式，将其分为S S P P S S P P S S P P S S P P S P P S S P P S S S - S - S - S P - P P P P P S S S S S S P P P P P P S S S S S - S S S S - S - P P P P P P P ，P P P P PSS S S S S S S 三种排布方 式，依次命名为A ，B ，c 。利用有限元仿真软件仿真，得 到仿真结果如表3 所示。 表3 损耗和漏感的仿真结果 j 三种绕组结构下绕组的电流密度分布如图4 所示。 U o J1 o = 茹 - 9 一一一_ 2 ， - - 制蕊蠹嚣兽：蔷k 蔷善誊蓦言蔷譬 一! 要害蓦姜耄? 要嚣三一 溢i 笔蠢璺甓雾霁 I t 曩：一 h - - - 一 ：l 薹趸翟落曼氍嚣；蠡吉暑 ? j 誊l 主蓁! 妻毽墓蒌霎芋鼍娄 誓：嚣| 誉镳煮曦蓬鬻翳雹 _ l - 一一z 一4 j 1 4 d , ；霪蔷誉窖藩爹i 墓囊蚕黜 i ：；一 l a l ：= = 1 9 一 a , 4 1 i 篙茎= 嚣嚆蓄! 誊= 登 _ 自q ：= | g ；瞄_ i t 脯耐器誉茎器茎墓誊嚣篓鬈耄蠹嚣蓦 ：! I 嚣爿慧懋霎嚣墨棠黜M t ! 芝l 器器嚣器嚣器躲鬣 t _ ：g 麓啊目j 一 ；H l 嚣= = 暑昌昌器蓦皇昌要= 蚕蔷 删岫 器善意篇器譬嚣黼 嚯 目b 一”H 自d 怕 i 蕊；誉基璧誊嚣萋 ( 1 ) ) 1 _ 4l = 窟= = = = = = 嚣= = = - ： 翟茁答暑譬箩 j _ 止i 一- I l _ l - _ 曩蔓l 盏墓葛= 嚣= = = 器= = = 图4 方式A ，B ，C 的电流密度分布 结果显示改变绕组结构达到漏感要求的同时绕组 损耗变的非常大，平面变压器效率高的优势没有得到相 应的体现，所以应选择完全交叉的绕组结构并另行设计 一个电感器与其串联。 万方数据 1 7 0现代电子技术 2 0 1 6 年第3 9 卷 4 结论 本文提出了在高压充电电源中可用大功率平面变 压器代替传统变压器的方法，基于设计参数介绍了平面 变压器磁芯和绕组的设计过程，讨论了绕组的最佳排布 方式，为平面变压器设计5 种绕组结构，分别建立相应 的三维模型，并通过有限元仿真软件A n s o f iM a x w e l l 在 三维涡流场对5 种结构的绕组损耗和漏感进行仿真计 算，根据计算结果得出最优化绕组结构。最后在最优化 绕组结构的基础上调整绕组的排布方式增大漏感，采用 以漏感作为谐振电感的方式将谐振电感集成到平面变 压器中，但因增加损耗太大，最终选择另行设计的一个 串联电感器作为谐振电感。 注：本文通讯作者为刘庆想。 参考文献 1 李建兵，牛忠霞，周东方，等印制板平面变压器及其设计方法 J 电气应用，2 0 0 6 ( 2 ) ：5 0 5 4 【2 】P A H L E V A N I N E Z H A DM ，D A SP ，D R O B N I KJ ，e ta 1 An o v e l w i n d i n gl a y o u ts t r a t e g y f o r p l a n a rt r a n s f o r m e ra p p l i c a b l e t o h i g hf r e q u e n c yh i g hp o w e rD C D Cc o n v e r t e r s c P r o c e e d i n g s o f2 0 11I E E EE n e r g yC o n v e r s i o n C o n g r e s s a n d E x p o s i t i o n K i n g s t o n ：I E E E 。2 0 1 1 ：3 7 8 6 3 7 9 1 3 C O V ESR ，O R D O N E ZM ，Q U A I C O EJE M o d e l i n go fp l a n a r t r a n s f o r m e rp a r a s i t i c su s i n gd e s i g no fe x p e r i m e n tm e t h o d o l o g y ( e l P r o c e e d i n g s o f2 010t h e2 3 r dC a n a d i a nC o n f e r e n c eO f f E l e c t r i c a la n dC o m p u t e rE n g i n e e r i n g C a n a d a ：I E E E ，2 0 1 0 ：1 - 5 【4 】Y UQ ，G E N GY ，L I UZ ，e ta 1 A c c o m p l i s h m e n to fl o wp r o f i l e p l a n a rt r a n s f o r m e rp r o t o t y p ew i t hN i C u Z n C P r o c e e d i n g so f 作者简介：付志恒( 1 9 9 1 一) ，男，硕士。 刘庆想( 1 9 6 4 一) ，男，教授。 ( 上接第1 6 6 页) 3 7 t hI E E EP o w e rE l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t sC o n f e r e n c e 【S 1 】： I E E E ，2 0 0 6 ：1 4 【5 】苏建仓，王利民，丁永忠，等串联谐振充电电源分析及设计【J 强激光与粒子束，2 0 0 4 ，1 6 ( 1 2 ) ：1 6 1 1 1 6 1 4 6 韦忠朝，张安东，唐德宇，等P C B 平面变压器设计研究 C 武 汉：湖北省电工技术学会学术年会，2 0 0 4 7 M C L Y M A NCWT 变压器与电感器设计手册 M 2 版一E 京：中 国电力出版社，2 0 1 4 8 】B U C C E L L AC ，C E C A T IC ，D EM O N T EF Ac o u p l e de l e c t r o t h e r m a lm o d e lf o rp l a n a rt r a n s f o r m e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n c o m p u t a t i o n J I E E E t r a n s a c t i o n so ni n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ， 2 0 0 8 ，5 5 ( 1 0 ) ：3 5 8 3 3 5 9 0 9 】H U R L E YWG ，G A T HE ，B R E S L I NJG O p t i m i z i n gt h eA C r e s i s t a n c eo fm u h i l a y e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g sw i t ha r b i t r a r yo u r r e n t w a v e f o r m s J I E E E t r a n s a c t i o n sO i l p o w e re l e c t r o n i c s ， 2 0 0 0 1 5 ( 2 ) ：3 6 9 3 7 6 f l o 】旷建军平面变压器P C B 板绕组的损耗分析、计算与设计优 化 D 】福州：福州大学，2 0 0 2 1 1 C H E NW ，Y A NY ，H UY ，e ta 1 M o d e l a n dd e s i g no fP C B p a r a l l e lw i n d i n gf o rp l a n a rt r a n s f o r m e r 【J 】I E E Et r a n s a c t i o n s o nm a g n e t i c s ，2 0 0 3 ，3 9 ( 5 ) ：3 2 0 2 3 2 0 4 1 2 L O E FC ，D ED O N C K E RRW ，A C K E R M A N NB O nh i g h f r e q u e n c yh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r s w i t h p l a n a rt r a n s f o r m e r s 【C 2 0 1 4P r o c e e d i n g so fT w e n t y N i n t hA n n u a lI E E EA p p l i e d P o w e rE l e c t r o n i c s C o n f e r e n c ea n d E x p o s i t i o n A a c h e n ： I E E E 2 0 1 4 ：1 9 3 6