平面变压器寄生参数分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
平面变压器寄生参数分析
李建兵 胡长超 朱忠义
解放军信息工程大学 郑州 450001
摘 要：本文对平面变压器的各种寄生参数进行了全面分析。首先在 PCB 平面变压器结构基础上，提出了等效电路模 型。针对该电路模型，分别分析了漏感、寄生电容、绕组电阻、磁损等效电阻等寄生参数，推导出了各种寄生参数的估算方 法以及减小这些寄生参数的改进设计方法。最后分析了平面变压器的各种寄生参数之间的相互影响。
B
变压
器
原边的
励
磁电感。
LpB
B
和
LsB
B
分别是原副边绕组的漏感，描述了漏磁场对变压器的
影响。
Rp +
u1 -
Cmp
Cw Cms
Lp
Ls
Rc
Cdp Lm
Cds
1:n
Rs +
u2 -
图 1 高压平面变压器结构 变压器的寄生参数主要是漏感、寄生电容、绕组 电阻、磁损等效电阻等。这些电感、电容和电阻往往 不是我们所需要的，且具有很大的不确定性。变压器 的寄生参数是开关电源设计中的一个不可回避的实际 问题，往往会使开关电源的工作状态偏离设计结果， 甚至严重影响电源的技术指标。变压器寄生参数的影 响不可消除，但我们可以进行估算，从而在开关电源 的设计过程中考虑到这些寄生参数的影响。另外还可 以通过改进设计减小这些寄生参数。本文着重分析目 前应用最为广泛的 PCB 平面变压器。
用非常广泛的 EE 型磁芯就不符合这个条件。另外，
平面变压器的绕组排列方向和传统变压器的方向是垂
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
直的，其模型和 Dowell 模型有所不同。本文依据漏磁
场的能量关系，推导出非中心对称结构磁芯平面变压
器漏感的估算公式。
平面变压器的漏磁场模型如图 4 所示。上面是原
(P +1)H p P(h1 + h2 ) + h1 < x < (P + 1)(h1 + h2 )
（3）
其中，P为原边绕组从上到下所在的层数，且 0≤P≤mBpB-1。mBpB为原边绕组的总层数。最大的磁场强 度也就是中间绝缘层的磁场为mBpBHBpB，即
H (x) = mp H p mp (h1 + h2 ) < x < mp (h1 + h2 ) + h∆ （4）
边绕组（以“x”标识），下面是副边绕组（以“·”标
识），中间是原副边绕组的绝缘层。设原副边绕组厚度
和
各
层
绕
组
间
距
分
别
为
h1B
B
和
h2B
B
，
原
副
边
绕
组
之
间
的
绝
缘层厚度
为hΔB
B
。忽
略印制
线
绕
组和磁
芯
之间间
距
的影
响，
设
磁芯
窗
口的宽
度
为
bwB
B
。忽
略
同一绕
组
相
邻匝间
间距的影响，漏感的磁力线如图虚线所示，包括穿过
用类似的方法可求得副边绕组产生的漏磁场。图
中HBsB表示如下:
Hs
=
I s ns bw
（5）
其
中
IsB
B
为
副
边
绕
组
电
流
，
nsB
B
为
副
边
每
层
绕
组
匝
数
。
设S为副边绕组从上到下所在的层数。则漏磁场为
H(x) =
mpH
p
−
SH
s
−
[x
−
m p (h1
+
h2 ) − h1
h∆
−
S (h1
+
h2 )]
H
s
mp (h1 + h2) + h∆ + S(h1 + h2) < x < mp (h1 + h2) + h∆ + S(h1 + h2) + h1
容Biblioteka Baidu如图
2
所示
，
Cmp B
B
和
CBms
分别为原
B
边
和
副边绕
组对
磁芯的分布电容。CBdpB和CBdsB分别是原边和副边绕组内的
分
布
电
容
，
CwB
B
是
原
边
绕
组
和
副
边
绕
组
之
间
的
分
布
电
容。
下面详细分析模型中这些寄生参数。
3. 平面变压器漏感分析
漏感描述了变压器中漏磁场的能量。传统变压器
较多使用Dowell模型，它是关于电磁场的一维近似。
2. 平面变压器等效电路模型
在平面变压器结构基础上，提出了图 2 所示的平
面变压器等效电路模型[4]。虚线框中是一个理想变压
P
P
器，其它各分立元件分别描述了各种分布参数的影响。
本文受国防预研基金资助（AA07002003_2）
图 2 平面变压器等效电路模型
平面变压器的分布电容包括绕组对磁芯的分布电
容、各绕组内的分布电容、绕组与绕组之间的分布电
PCB平面变压器主要由平面磁芯、PCB绕组和绝
缘层三部分组成[3]。其结构比较简单，只需按图 1 所
P
P
示的结构进行组装，再将各层绕组的过孔焊接即可。
绕组 绝缘层
磁芯
RpB B和RBsB分别为原副边绕组电阻，描述了绕组损耗，即
铜损
。电阻
RcB
B
是磁
芯损耗
的
等
效电阻
，
描述了
磁
性损
耗，即
铁
损
。
L 是 mB
它假设绕组导体内以及导体之间的磁力线沿导体纵向
交界面平行分布。在该模型下，可以得到交流阻抗的
直接计算公式[5]。文献[6]使用该方法计算出平面变压器
P
P
P
P
的交流电阻和漏感。
Dowell 的计算方法比较复杂，而且该公式成立的
条件就是磁芯必须为中心对称结构，因为只有这种结
构才能得到一维的电磁场的分布。在平面变压器中使
H (x) = I pnp x bw h1
（2）
当h <x<h +h 1B
B
1B
B
2B
B
时，H(x)保持HBpB不变。
当x>
h +h 1B
B
2B
B
时，
使用相
同
方法可
以
求
出
H(x)的值。
因此可以得到H(x)的表达式如下：
H(x) =
PHp
+
x
−
P(h1 h1
+
h2
)
H
p
P(h1 +h2) < x < P(h1 +h2)+h1
Hs
图 4 平面变压器漏磁场
由于磁芯的磁阻与窗口相比很小，故磁通路径可
近似为
bwB
B
。
忽略
趋肤效
应
和临近
效
应
的影
响
，
则电流
在
导
体
中
均
匀
分
布
。
设
原
边
绕
组
导
体
电
流
为
IpB
B
，
以
原
边绕组最上层表面为零磁场点，当x=hB1B时，有
Hp
=
H (h1)
=
I pnp bw
（1）
nBpB为原边每层绕组匝数。则当 0<x<hB1B时
关键词：平面变压器，漏感，寄生电容，绕组电阻，磁损等效电阻，优化设计
1. 引言
平面变压器具有高度低、体积小、一致性好、便
于批量生产、漏感小、散热性好、电磁兼容性能好等
优点，是目前应用较为广泛的新型变压器[1,2]。平面变
P
TF
FT
P
压器有多种，其中PCB平面变压器由于其成本低廉、
结构稳固、制作方便等优点而得到最为广泛的应用。
印制线的磁力线和穿过各印制线之间绝缘层的磁力
线。由图 3 的仿真结果可知，漏磁场的磁场强度方向
沿印制板平面平行，且只沿x方向变化，则漏磁磁场强
度分布如图 4 右边曲线所示。
bw
h1 原 边 h2
绝
缘 层
h∆
副 边
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
． ． ．．
．．．．
．．．．
Hp
H m ax
H (x)
x
平面变压器寄生参数分析
李建兵 胡长超 朱忠义
解放军信息工程大学 郑州 450001
摘 要：本文对平面变压器的各种寄生参数进行了全面分析。首先在 PCB 平面变压器结构基础上，提出了等效电路模 型。针对该电路模型，分别分析了漏感、寄生电容、绕组电阻、磁损等效电阻等寄生参数，推导出了各种寄生参数的估算方 法以及减小这些寄生参数的改进设计方法。最后分析了平面变压器的各种寄生参数之间的相互影响。
B
变压
器
原边的
励
磁电感。
LpB
B
和
LsB
B
分别是原副边绕组的漏感，描述了漏磁场对变压器的
影响。
Rp +
u1 -
Cmp
Cw Cms
Lp
Ls
Rc
Cdp Lm
Cds
1:n
Rs +
u2 -
图 1 高压平面变压器结构 变压器的寄生参数主要是漏感、寄生电容、绕组 电阻、磁损等效电阻等。这些电感、电容和电阻往往 不是我们所需要的，且具有很大的不确定性。变压器 的寄生参数是开关电源设计中的一个不可回避的实际 问题，往往会使开关电源的工作状态偏离设计结果， 甚至严重影响电源的技术指标。变压器寄生参数的影 响不可消除，但我们可以进行估算，从而在开关电源 的设计过程中考虑到这些寄生参数的影响。另外还可 以通过改进设计减小这些寄生参数。本文着重分析目 前应用最为广泛的 PCB 平面变压器。
用非常广泛的 EE 型磁芯就不符合这个条件。另外，
平面变压器的绕组排列方向和传统变压器的方向是垂
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
直的，其模型和 Dowell 模型有所不同。本文依据漏磁
场的能量关系，推导出非中心对称结构磁芯平面变压
器漏感的估算公式。
平面变压器的漏磁场模型如图 4 所示。上面是原
(P +1)H p P(h1 + h2 ) + h1 < x < (P + 1)(h1 + h2 )
（3）
其中，P为原边绕组从上到下所在的层数，且 0≤P≤mBpB-1。mBpB为原边绕组的总层数。最大的磁场强 度也就是中间绝缘层的磁场为mBpBHBpB，即
H (x) = mp H p mp (h1 + h2 ) < x < mp (h1 + h2 ) + h∆ （4）
边绕组（以“x”标识），下面是副边绕组（以“·”标
识），中间是原副边绕组的绝缘层。设原副边绕组厚度
和
各
层
绕
组
间
距
分
别
为
h1B
B
和
h2B
B
，
原
副
边
绕
组
之
间
的
绝
缘层厚度
为hΔB
B
。忽
略印制
线
绕
组和磁
芯
之间间
距
的影
响，
设
磁芯
窗
口的宽
度
为
bwB
B
。忽
略
同一绕
组
相
邻匝间
间距的影响，漏感的磁力线如图虚线所示，包括穿过
用类似的方法可求得副边绕组产生的漏磁场。图
中HBsB表示如下:
Hs
=
I s ns bw
（5）
其
中
IsB
B
为
副
边
绕
组
电
流
，
nsB
B
为
副
边
每
层
绕
组
匝
数
。
设S为副边绕组从上到下所在的层数。则漏磁场为
H(x) =
mpH
p
−
SH
s
−
[x
−
m p (h1
+
h2 ) − h1
h∆
−
S (h1
+
h2 )]
H
s
mp (h1 + h2) + h∆ + S(h1 + h2) < x < mp (h1 + h2) + h∆ + S(h1 + h2) + h1
容Biblioteka Baidu如图
2
所示
，
Cmp B
B
和
CBms
分别为原
B
边
和
副边绕
组对
磁芯的分布电容。CBdpB和CBdsB分别是原边和副边绕组内的
分
布
电
容
，
CwB
B
是
原
边
绕
组
和
副
边
绕
组
之
间
的
分
布
电
容。
下面详细分析模型中这些寄生参数。
3. 平面变压器漏感分析
漏感描述了变压器中漏磁场的能量。传统变压器
较多使用Dowell模型，它是关于电磁场的一维近似。
2. 平面变压器等效电路模型
在平面变压器结构基础上，提出了图 2 所示的平
面变压器等效电路模型[4]。虚线框中是一个理想变压
P
P
器，其它各分立元件分别描述了各种分布参数的影响。
本文受国防预研基金资助（AA07002003_2）
图 2 平面变压器等效电路模型
平面变压器的分布电容包括绕组对磁芯的分布电
容、各绕组内的分布电容、绕组与绕组之间的分布电
PCB平面变压器主要由平面磁芯、PCB绕组和绝
缘层三部分组成[3]。其结构比较简单，只需按图 1 所
P
P
示的结构进行组装，再将各层绕组的过孔焊接即可。
绕组 绝缘层
磁芯
RpB B和RBsB分别为原副边绕组电阻，描述了绕组损耗，即
铜损
。电阻
RcB
B
是磁
芯损耗
的
等
效电阻
，
描述了
磁
性损
耗，即
铁
损
。
L 是 mB
它假设绕组导体内以及导体之间的磁力线沿导体纵向
交界面平行分布。在该模型下，可以得到交流阻抗的
直接计算公式[5]。文献[6]使用该方法计算出平面变压器
P
P
P
P
的交流电阻和漏感。
Dowell 的计算方法比较复杂，而且该公式成立的
条件就是磁芯必须为中心对称结构，因为只有这种结
构才能得到一维的电磁场的分布。在平面变压器中使
H (x) = I pnp x bw h1
（2）
当h <x<h +h 1B
B
1B
B
2B
B
时，H(x)保持HBpB不变。
当x>
h +h 1B
B
2B
B
时，
使用相
同
方法可
以
求
出
H(x)的值。
因此可以得到H(x)的表达式如下：
H(x) =
PHp
+
x
−
P(h1 h1
+
h2
)
H
p
P(h1 +h2) < x < P(h1 +h2)+h1
Hs
图 4 平面变压器漏磁场
由于磁芯的磁阻与窗口相比很小，故磁通路径可
近似为
bwB
B
。
忽略
趋肤效
应
和临近
效
应
的影
响
，
则电流
在
导
体
中
均
匀
分
布
。
设
原
边
绕
组
导
体
电
流
为
IpB
B
，
以
原
边绕组最上层表面为零磁场点，当x=hB1B时，有
Hp
=
H (h1)
=
I pnp bw
（1）
nBpB为原边每层绕组匝数。则当 0<x<hB1B时
关键词：平面变压器，漏感，寄生电容，绕组电阻，磁损等效电阻，优化设计
1. 引言
平面变压器具有高度低、体积小、一致性好、便
于批量生产、漏感小、散热性好、电磁兼容性能好等
优点，是目前应用较为广泛的新型变压器[1,2]。平面变
P
TF
FT
P
压器有多种，其中PCB平面变压器由于其成本低廉、
结构稳固、制作方便等优点而得到最为广泛的应用。
印制线的磁力线和穿过各印制线之间绝缘层的磁力
线。由图 3 的仿真结果可知，漏磁场的磁场强度方向
沿印制板平面平行，且只沿x方向变化，则漏磁磁场强
度分布如图 4 右边曲线所示。
bw
h1 原 边 h2
绝
缘 层
h∆
副 边
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
． ． ．．
．．．．
．．．．
Hp
H m ax
H (x)
x