（电气工程专业论文）开关变换器中平面集成磁件设计的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 功率磁性器件是所有电力电子装置中必不可少的关键器件。它担负着磁能的 传递、储存以及滤波和电气隔离等功能，其体积和重量一般占到整个电路的2 0 0 6 至3 0 ，损耗约占总损耗的3 0 同时，磁件的各参数对电路的性能影响很大， 如变压器漏感对电压尖峰的影响，变压器原、副边绕组的耦合电容对隔离性能的 影响。因此，磁件的研究对于减小电力电子装置的体积和重量、提高电压调制性 能有十分重要的意义。采用传统变压器的开关电源在向高功率密度和低造型方向 发展时暴露出诸多限制。为了提高功率密度，就得提高变换器的开关频率，从而 减小电路中无源元件的体积。但是对于传统绕线式变压器，当开关频率高于1 0 0 k h z 时，变压器圆铜线的高频效应( 主要为集肤效应和邻近效应) 越来越显著，增加 了变压器的损耗。为了削弱高频效应，可采用低造型磁芯以及印刷电路板平面绕 组制作而成的平面变压器。为了进一步有效地减小磁件的体积和损耗，提高功率 密度和工作效率，改善输出纹波，人们研究了磁集成技术，并将其应用于电力电 子磁件的设计中采用平面变压器和磁集成技术可以实现开关电源的“短、小、轻、 薄”。 本文主要是针对一种用于前端d c d c 变换器的l l c 谐振变换器进行磁件设 计研究，采用平面变压器和磁集成技术，把平面变压器和平面电感等平面磁件集 成在一起，设计成一个平面集成磁件，来实现减小磁件的体积、重量和损耗，提 高功率变换器的功率密度。同时利用高级有限元分析( f e a ) 工具和电路仿真软件 对平面集成磁件的分布寄生参数进行综合仿真分析，减少它们对变换器最终性能 的影响，从而研究出适用于高频开关电源的一般平面集成磁件设计规律。论文的 主要成果如下： 1 ) 对磁集成技术和平面变压器进行研究，介绍了平面磁集成技术的概念；分 析了电感与电感、电感与变压器的集成方法以及解耦集成法，介绍了集成磁件等 效电路模型的建立方法。 2 ) 研究了一种用于前端d c d c 变换器的l l c 谐振变换器，并利用集成磁件 通用模型对l l c 谐振变换器的集成磁件进行设计；研究了平面集成磁件具体的设 计方法，为l l c 谐振变换器设计了一个平面集成磁件。 3 ) 提出了平面集成磁件的设计方法；利用电磁仿真软件m a x w e l l3 d 对平面集 成磁件进行了涡流场和静电场分析，根据仿真得到的阻抗矩阵和电容矩阵，推导 出了提取平面集成磁件各寄生参数的方程。 4 ) 通过提取平面集成磁件各寄生参数来建立精确的等效电路模型，利用电路 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 仿真软件s a b e r 对含有该平面集成磁件等效电路模型的l l c 谐振变换器电路进行 仿真，并通过仿真结果验证了理论分析的正确性 关键词：平面变压器，磁集成，平面集成磁件，l l c 谐振变换器，等效电路 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a e t t h ep o w e r m a g n e t i cc o m p o n e n ti st h ee s s e n t i a lk e yc o m p o n e n to fa l lt h ep o w e r e l e c t r o n i c sd e v i c e s i tt a k e so nt r a n s f e ra n ds t o r a g eo fm a g n e t i ce n e r g y , f u t e r i n ga n d c l e e t a i ei s o l a t i o n n o r m a l l yi t sv o l u m ea n dw e i g h to n l yo c c u p y2 0 * p 3 0 o f t h ee n t i r e c i r c u i t , w h i l et h el o s so c c u p i e sa b o u t3 0 o ft h et o t a ll o s s a tt h es a n l l et i m e v a r i o u s p a r a m e t e r so fm a g n e t i cc o m p o n e n ti n f l u e n c eg r e a t l yt ot h ep e r ：r o r m a n c eo ft h ec i r c u i t f o re x a m p l e ，l e a k a g ei n d u c t a n c eo fr a m s f o r m e ra f f e c t st h ep e a kv o l t a g e ；c o u p l e d c a p a c i t a n c eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yw i n d i n g si n f l u e n c e st h ei s o l a t i o np e r f o m m a e e t h e r e f o r e r e s e a r e l ao i lm a g n e t i cc o m p o n e n th a sv i t a ls i g n i t i e a n e et or e d u c ev o l u m ea n d w e i g h to fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s , 硝w e l la si m p r o v em o d u l a t i o np e r f o r m a n c eo f v o l t a g e t h ed r i v et o w a r d sl a i g h e rp o w e rd e n s i t ya n do v e r a l ll o w e rp r o f i l ei ns w i t e l a m o d ep o w e rs u p p l i e sh a se x p o s e dan u m b e ro fl i m i t a t i o n si nt h eu s eo fc o n v e n t i o n a l t r a n s f o r m e rs l r u e t u l 髓i no r d e rt oa c h i e v eh i 曲e rp o w e rd e n s i t y , i th a st oi n c l e a s ct h e c o l l v c i t c rs w i t c h i n gf r e q u e n c yt oa c h i e v ep a s s i v ec o m p o n e n ts i z er e d u c t i o n h o w e v e r , f o rc o n v e n t i o n a lw i r ew o u n dl r a n s f o r m c r st h i sl e a d st op r o b l e m so fi n c r e a s e dl o s sd u e t ot h es k i na n dp r o x i m i t ye f f e c t si nt h er o u n dc o n d u c t o r sp a r t i c u l a r l ya tf l e q u e n e i e s a b o v e1 0 0k h z i no r d e rt of l l t t h e l e f f i c i e n t l yr e d u c et h ev o l u m ea n dl o s so fm a g n e t i c c o m p o n e n t , a c h i e v eh i g h e rp o w e rd e n s i t ya n dw o r ke f f i c i e n c ya n di m p r o v eo u t p u t r i p p l e ，p e o p l ed i dr e s e a r c ho nt e c h n i q u eo f m a g n e t i ci n t e g r a t i o n , a n da p p l i e d i tt od e s i g n o fp o w e re l e c t r o n i c so fm a g n e t i cc o m p o n e n t u s i n gp l a n a rt r a n s f o r m e ra n dm a g n e t i c i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e 锄r e a l i z es w i t e l am o d ep o w e rs u p p l i e sw i t h s h o r t , s m a l l 。l i g h t a n d t l l i l l t h i sp a p e rm a i n l ya i m sa tr e s e a r e l aa n dd e s i g no nm a g n e t i cc o m p o n e n tf o rl l c r e s o n a n tc o n v c i t e l w h i c hu s e df o rf r o n d - e n dd c d cc o n v e r t e r u s i n gp l a n a r t r a n s f o r m e ra n d m a g n e t i ci n t e g r a t i o nt e c h n i q u e t o i n t e g r a t ep l a n a rm a g n e t i c c o m p o n e n t ss u e l a f l , s p l a n a rt r a n s f o r m e ra n dp l a n a ri n d u c t a n c e ，t h e nd e s i g np l a n a r i n t e g r a t e dm a g n e t i c st or e d u c ev o l u m e ，w e i g h t , l o s so fm a g n e t i cc o m p o n e n t , a n d a c h i e v eh i g h e rp o w e rd e n s i t yo f p o w e rc , o l l v e t t 既oa tt h es 钔n et i m e , u s ef e aa n dc i r c u i t s i m u l a t i o ns o f t w a r et ol l l l l l 【ei n t e g r a t e ds i m u l a t i o na n a l y z ef o rd i s t r i b u t i n gp a r a s i t i c p a r a m e t e ro fp l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c s , r e d u c ei t si n f l u e n c et of i n a lr , e f f o r m a n e eo f e o n v e l t e l a n dd e r i v ed e s i g nd i s c i p l i n a r i a no fg e n e r a lp l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c sw h i c h a p p l yf o rl a i g l a - f r e q u e n e ys w i t c hm o d ep o w e rs u p p l i e s 1 1 地m a i na c h i e v e m e n t s 鹤 h i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 f o l l o w s ： 1 ) m a g n e t i ci n t e g r a t i o nt e c h n i q u ea n dp l a n a rw a n s f o r m e ra r es t u d i e d ；t h ec o n c e p t o fp l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c st e c h n i q u ei si n t r o d u c e d ；a n a l y z i n gt h ei n t e g r a t i o n m e t h o db e t w e e ni n d u c t o ra n di n d u c t o r 嬲w e l la st h a tb e t w e e ni n d u c t o ra n dt r a n s f o r m e r , a n dd e c o u p l e di n t e g r a t i o nm e t h o d ；i n 仃o d u c i n gt h ed e d v 【l n gm e t h o do fc i r c u i tm o d e lo f i n t e g r a t e dm a g n e t i c s 2 ) a “n do f l l cr e s o n a n tc o n v e r t e rw h i c hu s e df o rf r o n d - e n dd c d l cc o l i v e t t e r i ss t u d i e d , a n di n t e g r a t e dm a g n e t i c so fl l cr e s o n a n tc o n v e g t e l i sd e s i g n e db yu s i n g g e n e r a lm o d e lo fi n t e g r a t e dm a g n e t i c s ；ac o n c r e t ed e s i g nm e t h o df o rp l a n a ri n t e g r a t e d m a g n e t i c si ss t u d i e d , a n dp l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c sf o rl l cr e s o n a n tc o n v e r t e ri s d e s i g n e d 3 ) ad e s i g n e dm e t h o df o rp l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c si sp r e s e n t e d ；e l e c l x o m a g n e t i c s i m u l a t i o n8 0 f i w l 啦m a x w e l l3 di su s e dt om a k ea n a l y s i so fe d d yc u r r e n tf i e l da n d e l e c t r o s t a t i cf i e l df o rp l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c s a c c o r d i n gt oi m p e d a n c em a t r i xa n d c a p a c i t a n c em a t r i xg o t t e nf r o ms i m u l a t i o n ，e q u a t i o nt h a te x t r a c tp a r a s i t i cp a r a m e t e r so f p l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c si sd e d u c e d 4 ) t h ea c c u r a t ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li se s t a b l i s h e db ye x t r a c t i n gp a r a s i t i c p a r a m e t e r 5o fp l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c s c i r c u i ts i m u l a t i o ns o f f w a l es a b e ri su s e dt o m a k es i m u l a t i o no fl l cr e s o n a n tc o n v e r t e rc i r c u i tw h i c hc o n t a i n st h i se q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lo f p l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c s t h ef m a ls i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t sv 耐匆 t h ec o l t o c t n e $ $ o f t h e o r ya n a l y s i s k e y w o r d e ：p l a n a rt r a n s f o r m e r , m a g n e t i ci n t e g r a t i o n , p l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c s ， l l cr e s o n a n tc o n v e r t e r , e q u i v a l e n tc i r c u i t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：舒绚 签字日期： 沪口7 年j 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：舒绚 签字日期：纱刁年j 月2 e t ：例上国 签字日期：沙1 年广月习字 j、 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 引言 电子技术和信息技术的飞速发展，不仅为电源行业提供了巨大的市场和快速 发展的动力，也对电源装置的体积、重量、效率、输出动态性能以及系统的可靠 性等提出了越来越高的要求【l 】。可是，由于电源装置中往往采用分立的、非标准的 磁性器件( 简称磁件) ，不仅体积大，而且形状不规则，难以实现自动化生产，使 得电源装置的体积和重量较大，给设计工作带来很多不便。“短、小、轻、薄”是当 今开关电源发展的主要趋势之一脚，要做到“短、小、轻、薄”，最主要的是提高功 率密度和采用低高度及体积和重量小的元器件。采用平面变压器和集成磁技术可 以显著降低磁件的高度，减小磁件的体积和重量，提高磁件的功率密度及开关电 源的性能，从而成为实现开关电源“短、小、轻、薄”的重要手段。近年来，人们对 平面变压器和集成磁技术的研究越来越重视，有的已经实现了产品化，为电源技 术的发展做出了贡献。 平面变压器是一种呈低高度扁平状或超薄型的变压器，其高度远小于传统变 压器。平面变压器用平面磁芯和平面结构绕组实现，工作频率高、能量密度大、 效率高、体积小、产品外观和一致性好、漏感和电磁干扰小，适合于自动化表面 贴装，可以较好地实现低压大电流输出，尤其适用于空间或高度存在限制或对节 能及散热要求苛刻的地方，所以平面变压器适应当今开关电源“短、小、轻、薄” 的发展趋势，在国内外得到了较广泛的应用，适用于通信电源、便携式电子设备 ( 如笔记本电脑) 的高密度电源和卡片式u p s 电源等平面变压器从问世到现在 短短的1 0 多年问已经在通信、笔记本计算机、汽车电子、数码相机、数字化电视 等方面得到了有效的应用。其产品品种已涉及到常规的铁氧体磁芯变压器的各个 方面，如功率变压器、带宽交压器和阻抗匹配变换器等。在国防、航空、航天等 对重量和稳定性要求极高的领域，平面变压器的应用也将会给系统的小型化开拓 一个崭新的局面。 随着通信设备和计算机运行速度的不断提高，低压大电流输出的开关电源成 为开关电源的热点产品之一。对于低压大电流输出的开关电源，要提高功率密度， 必须减小体积、降低损耗。由于开关器件和软开关技术的发展。通常采用提高工 作频率的办法来实现开关电源的小型化，但是受到磁件特性的限制，高频化的方 法有一定局限性，因为提高工作频率，会使磁件的磁芯损耗显著增加，因此在高 频工作时磁件的磁芯一般要降额使用，磁芯的工作磁密远小于其饱和磁密，限制 了磁件体积的进一步减小。为了能进一步减小磁件的体积、重量和损耗，人们研 重庆大学硕士学位论文1 绪论 究了集成磁技术。自从c u k 第一次提出了磁件集成化 州的思想后，磁集成的概念 不断扩展，这一技术发展很快嘲，已成为电力电子行业发展的一个趋势。近几年， 随着电力电子技术高频磁技术的不断发展，磁集成技术已经发展成为电力电子技 术的一个分支，国外很多研究人员致力于这方面的研究，但国内的研究和应用还 处于起步阶段。 1 2 磁集成技术 1 2 1 磁集成技术的定义和特点 磁件如交压器、电感等，是电力电子变换器的重要组成部分，它是完成能量 储存与转换、滤波和电气隔离的主要器件，是影响变换器体积、重量的主要因素旧； 磁件参数的选取( 如输出滤波电感的大小) 直接影响输出电流脉动和输出动态性 能。磁件的损耗影响变换器的效率；磁件的寄生参数对开关管的电压、电流应力 有很大的影响。 为了减小磁件的体积、重量，改善滤波性能，人们通常采用提高频率的办法， 但高频化的方法仍有一定局限性：一方面，频率的提高会受到整机效率的限制； 另一方面，为了减小磁芯损耗，磁芯高频工作时一般要降额使用，磁芯的利用率 不高，限制了磁件体积的减小【7 l 。为了能进一步减小磁件的体积、重量和损耗，同 时保证变换器的性能良好，研究人员对变换器中的磁件作了大量的研究工作，特 别是研究了磁集成技术。所谓磁集成技术就是将变换器中的两个或多个分立磁件 ( d i s c r e t em a g n e t i c s ，d m ) ，如电感、变压器等，绕制在一个磁芯上，从结构上集 中在一起，用一个磁件来实现，从而减少开关电源中的器件数量，减小开关电源 的体积，提高开关电源的功率密度，使各磁件间的接线最短、损耗减小，输出滤 波效果得以改善，以适用于低压大电流开关电源。d m 集中后的磁件被称为集成磁 件( i n t e g r a t e dm a g n e t i c s ，i m ) 。 在电力电子中，磁集成技术主要应用于开关电源和l i p s 逆变器中，有以下优 点： 1 ) 减少开关电源中的器件数量； 2 ) 使集成磁件的最大工作磁密小于各分立磁件的磁密和，以减小磁件磁芯的 截面积，从而减小磁件的体积和重量； 3 ) 使集成磁件磁芯磁通的脉动量减小，从而使磁件的铁损耗减小，提高开关 电源的效率和功率密度； 4 ) 改善开关电源的性能，如减小开关电源输入和输出电流的纹波，提高开关 电源的瞬态响应速度等。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 磁集成技术的发展 最早的集成磁件是用于滤波电路中的耦合电感1 9 2 8 年gb c r o u s e 提出采用 集成磁件滤波电路的专利申请i s ，其电路如图1 1 所示。图1 1 ( a ) 中的厶与c 1 支路为脉动电流提供低阻抗通路，以减小如中的电流脉动。图1 1 ( b ) 中采用耦 合电感厶来取代图1 。l ( a ) 中的厶与厶，目的是为了减少电感数量和电感体积。 随着对耦合电感研究的深入，才逐渐认识到耦合电感能减小脉动电流【9 】 厶 上2 ( a ) 采用d m 的滤波电感 c a ) f i l t e ri n d u c t o ru s i n gd m ( b ) 采用i m 的滤波电痘 ( b ) f i l t e ri n d u c t o ru s i n gi m 图1 1gb c r o u s e 提出的滤波电路 f g1 1f i l t e rc i r c u i tp r e s e n t e db yg b c r o u s e 自gb c r o u s e 提出集成磁件应用电路后的4 0 年闯，磁集成技术的研究一直 局限在电感与电感的集成，直到1 9 7 1 年，j c e i l o 和h h o f f i n a n 申请了采用集成 磁件推挽交换器的专利，将变压器和电感集成到一起，并称其为。c o m b i n e d t r a n s f o r m e ra n di n d u c t o rd e v i c e ”，磁件集成的概念才初步显现，磁集成技术也进入 了多种磁件集成的时代。 在2 0 世纪7 0 年代末，s l o b o d a n c u k 将磁集成技术成功地应用在c u k 变换器 中，引起人们对磁集成技术的关注。s l o b o d a n c u k 不仅实现了c u k 变换器中所有 磁件的集成，而且发现，通过合理设计磁件还能同时减小输入、输出电流脉动， 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 甚至实现零纹波。2 0 世纪8 0 年代后，磁集成技术的优点虽然得到认可，但除了被 用于多路输出电源外，在其他电源产品上的应用非常有限。这主要是因为集成磁 件的设计过程非常复杂，且绕组制作相对困难。2 0 世纪9 0 年代后，随着扁平磁件 应用的推广，磁件生产自动化程度的提高，集成磁件的应用变得相对容易；同时， 电源的不断发展也对其体积、输出动态性能、效率等提出了较高的要求，尤其是 微处理器的飞速发展对新一代高功率密度电源提出了更大的挑战，这些都促进了 磁集成技术的研究与应用。1 9 9 7 年我国福州大学的陈为教授将倍流整流电路 ( c u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e r ，c d r ) 的两个滤波电感和变压器进行集成【1 0 l ，使集成 磁件在大电流输出的场合具有了很好的应用价值，这一研究使磁集成技术成为新 的研究热点。现在，磁集成的研究内容从具体电路中的应用拓宽到集成磁件新的 分析方法、仿真模型的研究【1 1 1 磁集成技术被应用在多种场合，如电压调整模块 ( v o l t a g er e g u l a t i o nm o d u l e ，v r m ) 、功率因数校正变换器、谐振变换器等，目的 在于减小磁件体积、电流纹波和磁芯损耗。 1 3 平面变压器 1 3 1 平面变压器结构 平面变压器结构与传统变压器不一样传统变压器是在一般的铁氧体磁芯上 套上绕有漆包线骨架的线圈，而平面变压器没有漆包线绕组，而是将扁平的连续 铜质螺旋线腐蚀刻在敷铜薄膜材料( 大多为p c b 基材) 上，或采用铜箔，然后叠 放在磁芯上，其典型结构如图1 2 所示【1 2 】。 较之传统变压器，平面变压器之所以更适用于高频功率变换是由于有如下主 要特性： 1 ) 低造型由于平面变压器的尺寸小，表面体积比高，导热路径很短，因此 具有极好的散热特性，可以和电感及一些相关的半导体元器件紧密封装在一块， 从而实现非常高的能量密度，体积大为缩小；厚度远小于传统变压器，适用于表 面贴装方式组装。 2 ) 低损耗性由于平面变压器的线圈采用敷铜线，形成真正的平面导线，大 大削弱了传统变压器采用圆截面导线引起的集肤效应，而集肤效应使绕组的交流 电阻大于直流电阻，增加变压器的铜耗；在平面导线中，电流虽也流向敷铜薄膜 的边缘，但由于敷铜厚度很薄，一般小于2 倍集肤深度，故电流仍然流过整个敷 铜线，可获得非常高的效率 3 ) 低漏感由于平面变压器采用多层平面导线薄膜，故可以采取原边及副边 绕组交替叠放方式，加强原边和副边绕组之间的耦合，大大减小变压器漏感，降 低电磁干扰。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 ) 优良的高频特性传统变压器在高频环境下工作一般会出现开关损耗大， 变压器过热的现象。而平面变压器技术克服了这一难点，工作频率可以高达2 m h z 。 l 忽平面e 型磁芯( 吣绕组层l 图1 2 平面变压器的典型结构图 f i g1 2 1 3 , p i c a ls l r u c t u r eo f p l a n a r t r a n s f o r m e r 层2 层3 层4 由于采用p c b 技术要比常规变压器更容易实现机械加工，故有利于提高平面 变压器绕组的一致性。另外，绕组的几何形状及其有关寄生特性限定在p c b 制造 公差之内，因此可实现特性重现。这2 个优点降低了平面变压器的成本【m 1 4 1 。平 面变压器的另一个优点是提高了热性能，由于其面积与体积的比值较大，与常规 磁芯相比，平面磁芯的热阻较小。 但平面变压器的特性并不全是优点。平面变压器初、次级绕组之间的间距较 小，储存磁能少，所以漏感也较小；但这样却使得原、副边产生的寄生电容变大。 另外，p c b 绕组的可重现化特性是以增大磁芯绕线窗中绝缘材料的比例为代价， 降低了铜填充系数，限制了线圈匝数。 1 3 2 高频绕组损耗 一些专家学者不断对平面变压器各种绕组结构进行分析i 培q q ，寻求绕组最佳 结构【1 7 1 ，对各种绕组制作技术进行比较，优化p c b 板上的线圈布局，力求绕组总 直流电阻最小l l 硼。 文献0 5 对采用实心圆导线、利兹线、p c b 扳和铜箔制成的各种绕组结构的 5 0 0 k i - i z 平面变压器性能进行比较，研究得出p c b 绕组的交流电阻比实心圆导线绕 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 组约低1 0 - - 1 5 ，比利兹线绕组约高1 5 ，但p c b 绕组的漏感均比实心导线和利 兹线绕组低。因此平面变压器大多采用p c b 板作绕组。 为提高平面变压器功率水平，变压器副边绕组大多采用并联绕组层的方式， 提高载流能力。但是各绕组层之间的相对位置、连接方式或其它偶然因素影响， 都会造成各并联绕组层之间不均流，给绕组带来附加损耗，制约平面变压器在低 压大电流场合中的应用另外，平面变压器原边和副边绕组大多采用交替叠放的 绕组结构，削弱了邻近效应。但不同的交替叠放方式产生的高频效应在各绕组层 中引起的电流非线性分布各不相同，产生的损耗也不同。文献 1 9 2 2 基于l d 磁 场模型，对各种绕组层交替叠放方案进行仿真( 其中文献 1 9 1 q a 交替绕制方案的仿 真结果如图1 3 所示) ，研究并联绕组产生额外损耗的原因，得出如下结论：最优 绕组设计不仅要充分考虑p c b 的敷铜厚度、工作频率及原、副边各绕组层的相对 安放位置，还要考虑并联方式和绝缘厚度。 c i t g e 3 ( a ) 3 种并联方式( b ) 3 种并联方式下的涡流密度分布 c a ) t h r e ew i n d i n gp a r a l l e ls c h e m e s ( b ) e d d yo n a e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o n sf o rt h r e ep a r a l l e ls c h e n u 图1 3 交比为4 ：l 的平面变压器绕组层3 种不同并联绕制方式及对应的涡流分布 f i g1 3w m d i n gw i n d o w sf o rt h r e ew i n d i n gp a r a l l e ls c h e m e so f a 4 - t o - lr a t i op l a n a ra m n s f o r m e ra n d t h e i re d d yc u r l g , r l td e n s i t yd i s t r i b u t i o n sa l o n gl i r ac o p p e rt h i c k n e s si ne a c hc o p p e r 岍 1 3 3 平面变压器绕组制作技术 平面变压器绕组制作是将扁平连续铜质螺旋线腐蚀刻在敷铜薄膜材料上( 大 6 冀曩 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 多为p c b 板) ，或采用铜箔，然后叠放在磁芯上。采用铜箔或p c b 板，可省去绕 组骨架，有利于散热，减小漏感，削弱集肤效应。理论上平面变压器绕组与电源 电路可共存于一块p c b 板，取缔变压器与变换器电路之间的端部连接，消除端部 损耗，但在实际应用中，电源电路p c b 板层数往往少于绕组所需层数。另外p c b 绕组的匝间距和层间距必须满足绝缘要求。 为了提高窗口利用率，可采用柔性基印制板或镀铜的柔性基材制作平面变压 器绕组。由于这些材料只需5 0 i n n 绝缘厚度例，故可将多层柔性基印制板叠放冲 压成一个类似常规p c b 板的刚性结构，制作而成的平面变压器绕组可提高窗口利 用率。然而，上述多层柔性基印制板冲压制作绕组的方法只适用于线圈匝数少的 平面变压器，而且连接点太多，造成额外损耗。 1 3 4 漏感与分布电容 理想变压器( 完全耦合的变压器) 原边绕组产生的磁通应全部穿过副边绕组， 没有任何损失和泄漏，但实际上平面变压器不可能实现没有任何损失和泄漏。原 边绕组产生的磁通不可能全部穿过副边绕组，因此产生漏感。当变换器开关关断 时，漏感存储的能量要释放，形成明显的噪音，在示波器上能看到此噪音的高频 尖峰脉冲波形。高频尖峰脉冲的幅值n 和漏感厶与电流相对时间变化率的乘积成 正比。即： k = 厶廊，出 当工作频率升高，电流相对对问的变化率也就增加，漏感的影响将更严重。 漏感的影响和变换器开关速度成正比，漏感产生过高的尖峰脉冲会损坏变换器的 功率器件并形成明显的电磁干扰。 由于平面变压器绕组为多层绕组，顶层绕组和底层绕组之间存在电位差。两 个导体之间存在电位差，就存在电容，称之为“分布电容”。当变换器高频运行时， 分布电容会以惊人的速率进行充电和放电。电容充、放电过程会产生损耗。在给 定时间内，电容充、放电的次数愈多，变换器损耗就愈大。 2 0 世纪9 0 年代中期n d a i 用有限元法研究漏感最小的平面变压器绕组结构 ( 用r m l 0 型磁芯，n i = 4 ，地= 1 ) 。以正激变换器为例，输出为1 5 0 w ，5 v ，3 0 a ， 输入为3 6 - 7 2 v ，5 0 0 k h z ，变换器厚度为1 2 7 c m 。开发了优化设计软件，研究结果 认为，绕组为p c b 铜箔组合是最佳的，绕组布置最好是s p s - p 交替叠放，这样 可最大限度减小漏感，并且可控制漏感大小。 此外，如果绕组层之间的间距越小，漏感越小，绕组层间距与漏感近似成线 性关系。采用减小原、副边绕组层间距或绕组交瞀叠放的方法可减小平面变压器 漏感，但这样会增大绕组问的分布电容，增强邻近效应，导致线圈中电流呈非线 性分布，交流电阻变大。若要减小分布电容和绕组交流电阻，则需增大绕组的层 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 间距，这就与减小漏感的要求相矛盾。鉴于此，文献 1 3 1 提出在满足绝缘要求的条 件下，在漏感许可范围内，尽量减小绕组问的分布电容和交流阻抗。 1 3 5 平面变压器磁芯 平面变压器的磁芯通常采用平面e i 和e e 型两种飞利浦( p h i l i p s ) 公司首 先提出了平面结构的铁氧体磁芯，现在大部分磁芯生产厂家都生产这两款磁芯。 其它低造型标准平面磁芯还有r m 、e r 、p q 和罐型。由于e e 型磁芯中心柱是矩 形，使得线圈长度相对较长，因此空间利用率较低，且有可能产生e m i 。而r m 、 e r 、p q 等中心柱为圆形的磁芯，其线圈长度相对较短，可改善屏蔽效果，但有效 绕线窗面积比e e 型磁芯小，因此不能容纳过多匝数的线圈。 平面变压器的优化研究表明，任何规格的磁芯都存在一个最佳高度，使得变 压器功率密度最大刚因此，对于某些变压器设计，很可能市面上诸多标准平面 磁芯都不符合最优设计。如果成本允许，设计人员可与厂家联系定制设计所需的 磁芯，以实现性能最优 1 4 平面磁集成技术 平面变压器和集成磁件研究的一个重要发展方向就是平面集成磁件。平面集 成磁技术冈就是将平面磁性器件( 包括平面变压器和平面电感) 集成在一起，综合 了平面磁件和集成磁件的所有优点，形成平面集成磁件，为进一步实现开关电源 的“短、小、轻、薄”提供技术支持。 平面磁集成技术研究的主要内容包括：平面集成磁件的磁芯材料及结构，如 平面型铁氧体磁性材料和纳米薄膜磁性材料；平面集成磁件的绕组材料和绕组结 构，如多层印制电路和厚膜技术；平面集成磁件的设计理论与方法，平面集成磁 件在高频( 1 m h _ z 以上) 工作时的损耗问题和产生的泄漏电磁场及其对开关变压器 电路的电磁干扰问题，分布参数的精确计算与测量等问题，以及平面集成磁件在 开关电源中涉及的各种问题等。 1 5 论文的主要工作 磁性器件是高频开关变换器中的核心部件，磁性器件的高度、重量、损耗和 成本等在高频开关变换器中占有较大的比重。平面集成磁技术的发展是实现磁性 器件及高频开关变换器“短、小、轻、薄”的重要途径，所以本课题拟对一种用 于前端d c d c 变换器的l l c 谐振变换器进行磁件设计，采用平面变压器和集成 磁技术，把平面变压器和平面电感等平面磁件集成在一起，设计成一个平面集成 磁件，来实现减小磁件的体积、重量和损耗，提高功率变换器的功率密度同时 利用高级有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，f e a ) t 具和电路仿真软件对平面 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 集成磁件的分布寄生参数进行综合仿真分析，减少它们对变换器最终性能的影响， 从而试图研究出平面集成磁件的设计理论基础和等效模型，并通过仿真分析结果 来验证所提出设计方法的可行性及有效性。本文即将进行的主要工作如下： 1 ) 回顾了磁集成技术发展的历史，总结了磁集成技术和平面变压器的研究内 容及研究领域，介绍了平面磁集成技术的概念。 2 ) 分析了电感与电感、电感与变压器的集成方法以及另外一种特殊的集成方 法解耦集成法，介绍了集成磁件电路模型的建立方法。 3 ) 由于平面变压器与传统变压器的最大区别在于磁芯及线圈绕组，传统变压 器设计方法就不适用于平面变压器，因此必须针对平面变压器的特殊结构提出设 计方法。 4 ) 研究了平面集成磁件具体的设计方法，根据l l c 谐振变换器，把一个谐振 电感和隔离变压器集成到一起，设计了一个平面集成磁件，为平面集成磁件的设 计提供了一个比较详细的设计方法。 5 ) 对初步设计完成的平面集成磁件用电磁分析软件m a x w e l l3 d 进行有限元 仿真分析，并从仿真结果中提取出平面集成磁件的各寄生参数，从而建立精确的 平面集成磁件等效电路，利用电路仿真软件s a b e r 对含有平面集成磁件等效电路模 型的l l c 谐振变换器电路进行仿真分析，验证理论设计的正确性。 9 重庆大学硕士学位论文2 集成磁件分析方法 2 集成磁件分析方法 2 1 引言 磁路的基本定律与电磁感应定律是集成磁件分析所常用的基本原理，为了便 于分析磁件对电路的影响，一般需要将相应的集成磁件磁路模型变换为其等效电 路模型。本章首先对电感与电感、电感与变压器集成和解耦集成方法进行简单介 绍，然后再介绍建立磁件等效电路以及等效磁路之间变换的方法 2 2 磁集成技术 要将多个分立磁件集成在一起，一般要求磁芯具有多条磁路，这样才能将多 个交变磁通不一定相同的分立磁件集成起来。根据获得多条磁路的方法，可将磁 集成技术应用分为两大类； 1 ) 不改变原有磁苍结构，充分利用某些磁芯多磁路特性进行集成 2 ) 改变磁芯结构，人为创造多个磁路实现磁件集成 下面将重点介绍不改变磁芯结构的磁件集成。 2 2 1 电感与电感集成 电感与电感集成就是通常讲的耦合电感。根据电感绕组电压之间的关系可分 为绕组电压成比例和绕组电压相位交错两种 2 5 - 2 6 1 ) 绕组电压成比例 绕组电压成比例的耦合电感主要用于减小电流脉动。图2 1 为绕组电压成比 例的耦合电感磁件模型，设厶、上2 为耦合电感两个绕组的自感，肘为互感，绕 组两端的电压分别为和如，“”表示绕组同名端，于是根据耦合电感的特性有： + “ - l i _ 垂 。、 _ - _ - 一一。 、 、 一一。 - ，。 - 图2 1 绕组电压成比例的耦合电感 f i g2 1c o u p l e di n d u c t o ro f p r o p o r t i o n e dw i n d i n gv o l t a g e 1 0 + 铭2 一 重庆大学硕士学位论文 2 集成磁件分析方法 鼢爿三捌 眩2 ， 屯= 上l 上2 一肘2 ( 2