反激式变换器的变压器线圈涡流损耗机制分析与新型损耗模型

压器参数如图 3 所示。图中，H=8.6 mm；h=1.4 mm； w=3.4 mm；a=1.2 mm；磁芯规格：Philips EE31/13/9； 磁芯材料：3C90；气隙长度：0.62 mm；原边线圈 NP：128 匝，线径 0.4 mm；副边线圈 NS：16 匝， 采用 6 股线径 0.4 mm 的导线并绕。原边线圈电流 的 iP1=0.65 A，iP2=1.09 A，副边线圈电流的 iS1=5.2 A， iS2=8.72 A，变换器额定输入交流电压 220 V，额定 输出 24 V/3A，开关频率 f=70 kHz，占空比 D=0.383。 图 4 为该变压器基波和 2 次谐波电流(本文电流谐 波分解均取到 15 次)激励的线圈窗口磁场，由图可 见，反激变压器线圈窗口的磁场很复杂，并不像简 单变压器[11]或电感器[12]那样有规律，而且在不同次 谐波下，线圈窗口的磁场形状差别也很大，这使直 接通过分析线圈窗口的磁场来分析反激变压器线 圈涡流损耗的机制变得很困难。
MAO Xing-kui, CHEN Wei
(College of Electrical Engineering& Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Fujian Province, China)
ABSTRACT: Winding eddy current loss of the transformer in flyback converter is one of the research focus in winding techniques of high-frequency power magnetic components. Based on the reviewing for the previous researches, the winding loss mechanism of the transformer is analyzed deeply through decomposition of winding current and Finite Element field simulation. And it is found that the magnetic fields inducing the total winding loss have both behaviors with inductor’s and transformer’s field. With this understanding, the techniques for reducing the winding loss are researched to conclude that the effectiveness of the techniques depends on the magnetic field constitutes in winding window. Moreover, a new analytical model for the transformer winding loss in flyback converter is also proposed by utilizing the orthogonality of the two field components. The research results are approved by finite element simulation.
场是由变压器特性磁场和电感器特性磁场共同叠
磁芯气隙对线圈损耗影响
[3] 同文献[1]
同文献[1]
很大；原副边线圈交叉换 位对线圈损耗有影响
磁芯气隙对线圈损耗影很
大；交错布置气隙对线圈
[4-5] 同文献[1]
同文献[1]
损耗无影响；交替导通线
圈分别设为正弦波和零电
流建模方法可能存在问题
频域二维
[6] 解析计算
同文献[1]
—
时域一维
[7] 解析计算 实际交替开关波形电流
为“flyback transformer”，故本文把应用于反激式变 换器的变压器简称为反激变压器)线圈涡流损耗，降 低变压器或线圈温升，提高变换器效率和功率密度，
文献[1-9]研究了反激变压器线圈涡流损耗问题，取 得一些成果，可归纳如表 1 所示。由表 1 可知，在
表 1 反激变压器线圈涡流损耗已有研究工作归纳 Tab. 1 Summary for previous works on flyback
1 反激变压器及其线圈涡流损耗机制
1.1 反激式变换器及其变压器 图 1(a)为采用开气隙铁氧体磁芯的反激变压器
结构图，NP、NS 为变压器的原副边线圈。图 2 为反 激变压器在电流连续导通 CCM 和不连续导通 DCM 工作模式下的线圈电流。[t0, t1]期间，Ui 向由线圈 NP 构成的电感充电，其电流 iP 从 iP1 增大到 iP2，线 圈 Ns 因二极管 D1 截止而没有电流流过；[t1, t2]期间， 因开关管 V 关断，线圈 NP 没有电流流过，电感储 存的磁能通过线圈 NS 经 D1 释放给负载，其电流从 iS2 减小到 iS1(DCM 时，还存在线圈电流为零的[t2, t3] 时段)。反激式变换器工作过程表明，其变压器原副 边线圈为交替工作，与简单变压器(包括原副边线圈 同时工作的无抽头变压器以及原副边线圈同时工 作，但 2 个原边线圈交替工作的中间抽头变压器[10]) 的同时工作有很大不同。
Fig. 2 Winding current of flyback transformer
1.2 反激变压器线圈涡流损耗机制
由于线圈涡流损耗是由试图穿过线圈导体的
高频交流磁场引起，因此要研究反激变压器线圈涡
流损耗机制，须先研究其线圈窗口磁场分布特点。
采用商业电磁场有限元软件 Ansoft MaxwellR 仿真 研究反激变压器线圈窗口磁场。仿真采用的反激变
反激式变换器的变压器线圈涡流损耗 机制分析与新型损耗模型
毛行奎，陈为
(福州大学电气工程与自动化学院，福建省 福州市 350002)
Mechanism Investigation and Analytical Modeling for Winding Loss of Flyback Transformer
线圈中引起直流分量损耗。交流分量 iPTx、iPL 与 iSTx、iSL 都将在线圈中引起涡流或交流分量损耗， 但其机制有很大的不同。从图 5(a)可见，交流分量 iPTx、iSTx 在一个周期内都存在，且方向相反，其产 生的磁势将在原副边线圈间相互抵消，从而在线
圈窗口中引起类似于简单变压器线圈窗口的磁
第 29 卷 第 3 期 2009 年 1 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.29 No.3 Jan.25, 2009 ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 29
文章编号：0258-8013 (2009) 03-0029-07 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
transformer winding eddy current loss
文献 研究方法 仿真或计算所用模型
关键结论
频域有限元 导通线圈设为正弦波电 磁芯气隙对线圈损耗
[1] 数值仿真 流，关断线圈设为零电流
影响很大
磁芯气隙对线圈损耗影响
[2] 同文献[1]
同文献[1]
很大；原副边线圈交叉换
位对线圈损耗无影响
a h
0.5 mm
H
0.45 mm
气隙
对
NP
称
NS
轴
w
图 3 反激变压器 Ansoft MaxwellR 仿真模型参数 Fig. 3 Flyback transformer model for Ansoft MaxwellR
铁氧体磁芯
NP
NS
iP NP
Ui V
D1 NS Uo
iS
气隙
气隙
(a) 变压器
(a) 基波
(b) 2次谐波
图 4 图3的变压器在线圈电流iP1=0.65 A，iP2=1.09 A时 谐波电流激励的线圈窗口磁场
Fig. 4 Field of winding window excited by harmonic
current for the transformer of Fig.3 with iP1=0.65 A，iP2=1.09 A
线圈电流作图 5(a)所示的交直流分解，即先把原副
边线圈电流分别分解为交直流分量 iPAC、IPDC 与
第3期
毛行奎等： 反激式变换器的变压器线圈涡流损耗机制分析与新型损耗模型
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iSAC、ISDC(交流分量 iPAC、iSAC 图中用虚点线表示， 直流分量 IPDC、ISDC 用实线表示)，而后再把交流 分量 iPAC、iSAC 分别分解为 iPTx、iPL 与 iSTx、iSL 两 部分交流分量。其中交流分量 iPL、iSL 的大小分别 等于原副边线圈的纹波电流ΔiP、ΔiS，且由于其为 交流分量，故与 t 轴交于其中点。经上述分解，原 副边线圈电流分别分解为 3 部分，即 iP=IPDC+iPTx+ iPL，iS=ISDC+iSTx+iSL。其中直流分量 IPDC、ISDC 产 生的磁势互相叠加，施加于开气隙的磁芯上，在
(b) 变换器
图 1 反激式变换器及其变压器结构示意图
Fig. 1 Flyback converter and its transformer
iP
iP1
iP2
iP
0
0
iS iS2
t
iS
t
iS1
0
0
t0 t1 t2
t
t0
t1 t2 t3
t
(a) 电流连续导通 CCM
(b) 电流不连续导通 DCM
图 2 反激变压器线圈电流
关键词：反激式变换器；变压器；反激变压器；线圈损耗
0 引言
反激式变换器电路简单、器件少，在电源适配
基金项目：福建省自然科学基金项目(2006J0159)。
器等小功率开关电源中应用广泛。变压器为反激式
变换器的关键器件之一，其分析和设计被广泛重视。
为减小应用于反激式变换器中的变压器(为便于叙 述，且国际业界在此问题研究中普遍把该变压器称
—
时域有限元
谐波分解方法不适用于反
[8]
仿真
实际交替开关波形电流 激变压器线圈损耗分析
磁芯气隙对线圈损耗影响
[9]
时域 SFD 仿真
实际交替开关波形电流 不大；原副边线圈交叉换
位对线圈损耗有影响
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中国电机工程学报
第 29 卷
反激变压器线圈损耗的建模研究方法、损耗影响因 素或减小方法等方面存在一定争议，其关键在于对 反激变压器线圈涡流损耗机制认识不够，从而导致 已有研究存在较大片面性。本文从分析反激变压器 线圈窗口磁场特性入手，对其线圈损耗机制、损耗 减小方法及建模进行研究，以期设计高性能的反激 变压器。
对简单变压器或电感器线圈损耗机制和损耗
建模的研究已比较成熟，因此可通过某种形式的
分解，把反激变压器线圈窗口的磁场分解成上述 2
部分磁场来研究其线圈涡流损耗。因磁场是由磁
势引起的，因此可通过研究反激变压器原副边线
圈电流所产生磁势的特点，来分析其线圈窗口磁
场组成或线圈涡流损耗机制。对图 2(a)CCM 时的
KEY WORDS: flyback converter; transformer; flyback transformer; winding loss
摘要：反激变换器的变压器线圈涡流损耗为高频功率磁元件 线圈技术的研究热点之一。在已有研究基础上，应用电磁场 有限元仿真以及通过分解线圈电流分析了反激变换器的变 压器线圈涡流损耗机制，发现其线圈窗口磁场兼有电感器和 变压器磁场的特征。据此机制，研究了减小其线圈涡流损耗 的方法，指出该方法的有效性取决于线圈窗口磁场的构成。 通过研究其线圈窗口磁场的正交性，进一步提出一种新型反 激变换器的变压器线圈损耗解析模型。有限元数值仿真验证 了研究结果的正确性。
场，故其引起的线圈涡流损耗将具有简单变压器
线圈损耗的特性；而电流纹波 iPL、iSL 则只分别在 [t0, t1]和[t1, t2]期间存在，其产生的磁势将施加于开 气隙的磁芯上，从而在线圈窗口中引起类似于电
感器线圈窗口的磁场，故其引起的线圈涡流损耗
将具有电器线圈损耗的特性。
根据上述分析得到的反激变压器线圈窗口磁