高频开关电源中间抽头变压器线圈损耗的建模及其应用
高频开关电源变压器的优化设计及其应用研究
高频开关电源变压器的优化设计及其应用研究摘要：在开关电源当中，变压器是实现核心性能的关键技术组件，因此要把控合理设计与应用。
本文通过分析高频开关电源变压器的构成及发展现况，进一步分析了变压器的优化设计方向与实际应用。
关键词：优化设计；变压器；高频开关电源引言：目前的开关电源正不断向高频化的方向发展，因此其相应的变压器装置也开始采用高频形式，基于此，本文主要围绕着高频开关电源变压器的内部设计展开的研究，希望能够对高频开关电源变压器的实际应用有所帮助。
1.高频开关电源变压器的构成及发展现况1.1高频开关电源变压器的构成与分类高频开关电源变压器中，其开关器件是基于半导体功率，因此也可称之为开关管，而控制开关管在高频下进行关闭与开通操作，从而实现将某种电能的形态转换为其他类型电能形态，这种性能的装置就叫做开关转换器。
以开关转换器为关键部件，再利用闭环自动控制方式对输出电压进行稳定处理，同时，整个电路中还配有相应的保护电源，这种情况下的电源就叫做开关电源，而使用高频的转换器做电源开关工作的转换装置，就被称作高频开关电源，其一般是采用高频DC 转换器。
在高频开关电源当中，其运行的最基本路线包括整流滤波电路、开关型的功率变换装置、控制电路以及交流直线转换电路，而其相应的变压器装置可采用以下几种分类方式。
一是基于不同的驱动方式来划分为自激式驱动变压器以及他激式驱动变压器；二是根据电路的拓扑结构来划分变压器类型，具体可分为两类，包括隔离式变压器与非隔离式变压器，其中隔离式变压器装置还可划分为半桥式变压器、全桥式变压器、反激式变压器、正激式变压器以及推挽式变压器，非隔离式变压器则包括升压型变压器与降压型变压器；三是基于输入与输出之间是否存在电器隔离来划分变压器类型，有电器隔离则为隔离式变压器，无电器隔离则为非隔离式变压器；四是基于DC的开关条件或DC转换器类型来划分，可分为软开关型变压器与硬开关型变压器[1]。
1.2开关电源技术的发展现况电源从上世纪60年代开始就得到使用，一开始大部分使用电源的电子产品都是线性电源结构，这种电源在原理上存在许多局限，且电源本身的体积大、重量高，还具有损耗大的缺点，随后，一种基于开关调节器的直流稳压电源逐渐将其取代，对于开关电源技术的集中化研究开始于上世纪90年代，当时使用的开关电源是基于DC/DC转换器，并采用脉冲宽度调制方式来实现功能，随后还有许多新型电源材料逐渐问世，包括高频磁性材料以及半导体材料，这些材料的应用也使得开关电源的频率得到进一步增长，当前，国内外的开关电源技术都已经实现市场化发展，国内自主研发的开关电源变压器装置也逐渐变多，但大部分变压器的频率较小，高频开关电源变压器的研究还有待加强，近年来，随着对高频开关电源变压器的研究力度加大，该项技术的发展也得到了跨越式的进步[2]。
大功率高频开关电源变压器设计与损耗分析
５ 结 束 语
通 过 对 高频 变压 器 损 耗 的分 析 计 算 ，在 设 计 中 要 充 分 考 虑 这 些 因素 ，尽 可 能解 决 高 频 开 关 电源 在 应 用 中磁 性 元 件 的 损 耗
Ｐ ： Ｒ： ＼ｏ ３ Ｗ ２× Ｉ ×０ ３ ｝ １５ ０
交 流 电 阻损 耗 ：
Ｋｆｅ＇ ￣ Ｇ Ｉ Ｋ ｃ ￣一 ， （
）
（） １
时 △Ｂ＝１ Ｔ
可 得 磁 滞损 耗 的模 型 为 ：
，
（） ２ 副边 匝数 的计 算
－（ Ｋ １
）； ）（Ｆ Ｋｃ （ ３／ ｘ
（ ２ ）
Ｉ２ ｌ 、一 ：
：
－－ ｘ７ 一 一 ２－ ｏ ４ ０ 。 ｘ１ ５Ｋ１ 一 １
＝０ ５． ９
已知一次侧线圈电随：＝＝． １５ Ｒ ＩＯ ０６ ０
直 流 电 阻一 次 侧 线 圈 损耗 ：
Ｐ ＝ｘｃｌ ｚ １￣Ｗ ｃ ｆ ｄ＂ ＿ ｌ掣 ｘ０６ ２ Ｒ－ ００５
已 知二 次 侧 线 圈 电 阻 ： ｄ＝ ．０ ５ Ｒ ｃ ００ ３ ２ 直 流 电 阻二 次 侧 线 圈 损耗 ：
选 用铁 基超 微 晶 环形 铁 芯 ： Ｌ １ ０ ０ ０ ＯＮ 一 ３ ８ ４ ，该 磁 芯 的 饱 和 磁 感 应 强 度 Ｂ＝ ．５ ，剩 余 磁 感 应 强 度 Ｂ＜ ． ｒ１ Ｔ ２ ０２ Ｔ，居 里 温 度 ５ Ｏ ， 始 磁 导 率 Ｉ＞ ０ ０ 最 大 磁 导 率 ＜ ０ ０ ， 耗 Ｐ １℃ 初 ， ３ ０ ０， Ｌ ｉ ５０ ０ 损 （ ． 、０ Ｈ ） ３ Ｗ／ ｇ。 形 尺 寸 ： 径 １ Ｏ ０５ ２ ｋ ｚ ＜ ０ ｋ 外 Ｔ 外 ３ ｍｍ ， 内径 ８ ｍｍ ， Ｏ
开关电源变压器损耗计算
开关电源变压器损耗计算
计算开关电源变压器的损耗，可以采用下面的方法：
1. 计算铁心损耗：开关电源变压器的铁心损耗包括磁滞损耗和涡流损耗，可以通过铁心材料的特性曲线和变压器铁心的磁通密度来计算。
一般情况下，铁心损耗占总损耗的比重较小，通常在5%以下。
2. 计算铜损耗：开关电源变压器的铜损耗是由变压器线圈中的电流通过导线时产生的热量而导致的。
铜损耗的大小取决于变压器的额定电流和绕组的电阻值。
在设计开关电源变压器时，需要根据变压器线圈的截面积和电阻值来计算铜损耗。
3. 计算其他损耗：开关电源变压器还可能存在其他的损耗，如液体绝缘材料的损耗、绝缘损耗以及机械损耗等。
这些损耗的大小往往比较难以估算，可以通过实验来确定。
总的来说，开关电源变压器的损耗计算是一个较为复杂的过程，需要掌握一定的电路和材料知识。
为了确保变压器的工作稳定和可靠，需要对其损耗进行适当的估算和优化设计。
推挽变换器的变压器线圈损耗建模及其应用
损耗 。由于线 圈 电流决 定 了线 圈窗 口的磁 场 分 布 ，
且 电流谐 波分解 的 图解 法 具有 直 观 特 点 ， 因此 以 下
通 过作 图法 分 解 分 析 各 个 线 圈 电 流 的 谐 波 分 量 特 点 。 图 １为推挽 变换器 及其 变压器 线圈 电流 的理 想 波形 ， 中 ｉ 、 ： ｉ ｉ 、 分 别 表 示 线 圈 Ｎ 。Ｎ ： 其 ｉ、 ｉ 。 、 、
次谐 波 电 流 的 交 流 电 阻 的 测 量 方 法 。一 个 ４ ０ 的 平 面 变压 器 优 化 设 计 验 证 了 线 圈 损 耗 模 型 和 交 ０Ｗ
流 电 阻 测 量 方 法 的 正 确 性 ， 模 型 可 以很 方 便 用 于 优 选 和 设 计 推 挽 变压 器 。 新 关 键 词 ： 流 损 耗 ； 圈 技 术 ；平 面 变压 器 涡 线
２ 推挽 变 压 器 的线 圈 损 耗 模 型
开关 波形 电流 引起 的线 圈损耗可 通过谐 波分解
求 得 ， 中直流分量 电流 引 起 的线 圈 损耗 可 以很简 其
收 稿 日期 ：２ １ － －２ ０ ０ ３０ ０
基 金项 目 ：福 建 省 科 技 厅 基 金项 目 （０ ８ ３ ５ ） 福 州 大 学科 技 发 展基 金 （０ ８Ｘ 一８ ２ ０ Ｆ０ ６ ； ２０一Ｑ１）
的不 同。本文 通过研 究推挽 变压 器线 圈谐波 磁势平
衡 的特点 ， 出通过 两 个 独立 变 压 器 分别 建 模 推挽 提
感 Ｌ续 流 ， 电流 大 小各 为 电感 Ｌ电流 的一 半 。对 其 各线 圈 电流作 如 图 ２的分 解 ， 即各线 圈 电流 分解 为 直 流分 量 Ｄ Ｃ和交 流分 量 Ａ 其 中交 流 分 量 Ａ Ｃ， Ｃ进
开关电源变压器损耗计算
开关电源变压器损耗计算
开关电源变压器的损耗主要包括铜损和铁损两部分。
1. 铜损：铜损是由于变压器线圈的电阻引起的损耗。
它可以通过以下公式计算：
P_cu = I^2 * R
其中，P_cu表示铜损功率，I表示变压器的额定电流，R表示线圈的总电阻。
2. 铁损：铁损是由于磁场变化引起的损耗，分为磁滞损耗和涡流损耗两部分。
- 磁滞损耗可以通过以下公式计算：
P_h = K_h * f * B^x
其中，P_h表示磁滞损耗功率，K_h为磁滞损耗系数，f表示变压器的工频，B表示磁场强度，x为磁滞指数。
- 涡流损耗可以通过以下公式计算：
P_e = K_e * f^2 * B^2 * t^2
其中，P_e表示涡流损耗功率，K_e为涡流损耗系数，f表示变压器的工频，B表示磁场强度，t为变压器的铁心厚度。
总损耗可以通过铜损和铁损相加得到：
P_total = P_cu + P_h + P_e
需要注意的是，损耗的具体计算需要参考变压器的设计参数和材料特性，上述公式中的系数需要根据具体情况进行确定。
同时，在实际应用中，还需要考虑变压器的负载率和温升等因素对损耗的影响。
电力变压器的损耗分析与优化设计
电力变压器的损耗分析与优化设计电力变压器作为电力系统中重要的输配电设备，其性能稳定和能效优化对提高电网的可靠性和经济性具有重要意义。
本文将对电力变压器的损耗分析与优化设计进行探讨，以期提高变压器的能效，降低电网的能耗和运行成本。
一、电力变压器损耗分析电力变压器的损耗主要包括铁损和铜损。
铁损主要来自于变压器的铁心，是由于磁通在铁芯中不断变化引起的涡流损耗和剩磁损耗。
铜损则是由于变压器的导线材料电阻产生的电流通过导线时产生的热量损耗。
1. 铁损分析铁损是不可避免的，但可以通过合理的设计和选材来减小。
首先，选用低损耗的硅钢片作为变压器的铁心材料，以降低涡流损耗和剩磁损耗。
其次，优化变压器的铁芯结构，减小磁阻和磁漏，提高变压器的磁路效率，从而减小铁损。
2. 铜损分析铜损是变压器的主要损耗来源，主要取决于变压器的负载情况和导线的电阻。
在设计变压器时，应合理选择导线截面积，减小导线电阻，从而降低铜损。
此外，还可以采用电解铜覆银的导线材料，提高导线的导电性能，减小电阻，进一步降低铜损。
二、电力变压器优化设计1. 选用高效率材料在变压器的设计中，应选择低损耗的材料，特别是核心材料。
目前，高性能的非晶态合金材料被广泛应用于变压器的铁心中，具有低铁损和低矫顽力的特点，可以显著降低变压器的能耗。
2. 优化变压器的结构通过合理设计和改进变压器结构，可以降低变压器的损耗。
例如，增加铁心的截面积，提高磁路的饱和磁密，减小变压器的铁损。
同时，合理布置导线，减小电阻，降低铜损。
3. 合理匹配负载根据实际使用情况，合理匹配负载对变压器的损耗优化至关重要。
过大或过小的负载都会导致变压器的能效下降和损耗增加。
因此，在设计和使用过程中，需要合理计算和确定变压器的负载范围，确保变压器在额定负载下运行，以获得最佳的能效。
4. 合理调整变压器参数变压器的参数设定也对损耗有一定的影响。
例如，合理设置变压器的额定电压和额定电流，以减小变压器的电阻损耗和铜损。
高频开关电源中间抽头变压器线圈损耗的建模及其应用
第23卷第3期2004年7月电工电能新技术Advanced T echnology of E lectrical Engineering and EnergyV ol.23,N o.3July 2004收稿日期:2003212222作者简介:毛行奎(19782),男,福建籍,博士,主攻电力电子功率变换技术、电磁场数值计算及高频功率磁技术;陈 为(19582),男,福建籍,教授,博导,博士,主攻电力电子功率变换技术、工程电磁场及高频功率磁技术。
高频开关电源中间抽头变压器线圈损耗的建模及其应用毛行奎,董纪清,陈 为(福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350002)摘要:中间抽头变压器由于两个副边线圈是分时工作,其线圈损耗模型不同于无抽头原副边线圈同时工作的变压器。
本文采用线圈电流谐波分解和线圈窗口磁势分析的方法对中间抽头变压器线圈损耗进行建模和分析,结果表明变压器奇次电流的磁势在原副边线圈间平衡,偶次电流的磁势在副边两个线圈间平衡。
该模型的建立有助于中间抽头变压器线圈的优化设计,中间抽头引出线设计以及线圈损耗的测量。
在一个3kW 变压器设计上的应用验证了模型的有效指导意义。
关键词:开关电源;中间抽头变压器;线圈损耗中图分类号:T M43 文献标识码:A 文章编号:100323076(2004)03200432041 引言随着开关电源工作频率和功率的不断提高,磁性器件的体积和损耗已经成为电源功率密度提高的瓶颈[123],因此对磁性器件的分析和设计将越来越重要。
中间抽头变压器广泛应用于副边采用双半波整流的功率变换器,尤其是大功率变换器中。
中间抽头变压器与无抽头原副边同时工作的变压器(如一般正激式变换器的变压器。
为文字简练,以下均简称为无抽头变压器,特指副边线圈没有抽头,原副边线圈同时工作的变压器)的主要区别在于:后者原副边线圈同时有电流,安匝平衡;而前者虽然原副边线圈总电流也满足安匝平衡,但副边两个线圈的电流是不同时的。
高频电力电子变换器的开关损耗研究
高频电力电子变换器的开关损耗研究引言在电力电子应用领域，高频电力电子变换器作为一种关键的能量转换设备，广泛应用于交流输电系统、电动汽车、可再生能源发电系统等领域。
开关损耗是高频电力电子变换器设计中一个重要的考虑因素，对于设备的效率和可靠性起着至关重要的作用。
本文将重点探讨高频电力电子变换器的开关损耗研究。
一、开关损耗概述开关损耗是指电力电子变换器在进行功率转换时，由于开关元件的导通和截止过程而产生的能量损失。
在高频电力电子变换器中，开关损耗通常包括导通损耗和开关损耗两部分。
导通损耗主要源于开关元件在导通状态下产生的电流和电压的乘积。
在导通状态下，开关元件会产生一定的电压降，进而导致能量损耗。
开关损耗则主要由于开关元件在开通和关断过程中产生的开关过程损耗而引起。
由于开关过程中元件的电流和电压都会发生变化，因此会导致能量转换的不完全，产生额外的损耗。
二、开关损耗的研究方法1.理论计算理论计算是开关损耗研究中常用的方法之一。
通过理论公式和参数计算，可以得到开关损耗的一个近似估算值。
理论计算方法需要考虑开关元件的电气特性和工作条件等因素，以达到精确估算开关损耗的目的。
2.仿真模拟仿真模拟是精确计算开关损耗的方法之一。
通过建立电力电子变换器的数学模型，并采用计算机仿真软件进行模拟运行，可以得到开关损耗的实时变化情况。
仿真模拟方法不仅可以定量计算开关损耗，还可以分析开关过程中的各种影响因素。
3.实验测试实验测试是验证理论计算和仿真模拟结果的重要手段。
通过搭建实验平台，利用实际开关元件和测试设备进行开关损耗的实测，可以获得准确的开关损耗数值。
实验测试方法还可以用于研究开关损耗的影响因素和优化措施。
三、开关损耗的影响因素1.开关频率开关频率是影响开关损耗的重要因素。
随着开关频率的增加，开关元件需要进行更快的开关操作，导致更大的开关损耗。
因此，在设计高频电力电子变换器时，需要充分考虑开关频率对开关损耗的影响。
2.开关元件参数开关元件的参数也是影响开关损耗的关键因素。
高频功率变压器中基于非晶软磁材料的损耗模拟与分析
高频功率变压器中基于非晶软磁材料的损耗模拟与分析高频功率变压器是电力系统中的重要设备，用于将电能从一级交流电源传输到另一级负载。
在变压器中，软磁材料起到了关键的作用，它们能够有效地吸收和释放磁能量，减少能量的损耗。
近年来，非晶软磁材料因其优异的磁性能和低损耗特点而在高频功率变压器中得到了广泛应用。
本文将探讨基于非晶软磁材料的损耗模拟和分析方法。
首先，我们需要了解非晶软磁材料的特性。
非晶软磁材料是一种特殊的非晶态材料，具有高饱和磁感应强度、低磁化场强度、低磁滞损耗和低涡流损耗等特点。
相较于晶态材料，非晶软磁材料具有较高的电阻率和较低的涡流损耗，因此在高频功率变压器中更为适用。
为了模拟和分析非晶软磁材料的损耗，我们可以使用有限元分析方法。
有限元分析是一种数值计算方法，可以将复杂的材料结构划分成许多小的有限元单元进行计算。
在高频功率变压器中，有限元分析可以用来计算非晶软磁材料中的涡流损耗和磁滞损耗。
涡流损耗是指在非晶软磁材料中，由于高频交变磁场的作用而产生的电流在材料中发生阻碍，使得电流沿材料的表面流动，从而产生热量。
为了准确计算涡流损耗，我们需要考虑非晶软磁材料的导电性能、磁导率和材料的几何形状。
通过有限元分析，我们可以得到在不同频率下的涡流损耗分布情况，并进一步优化变压器结构和非晶软磁材料的选择，以降低损耗。
磁滞损耗是指在非晶软磁材料中，由于交变磁场的作用而产生的磁滞现象，使得磁矩不断改变方向，从而产生热量。
为了计算磁滞损耗，我们需要考虑非晶软磁材料的饱和磁感应强度、磁滞回线和材料的几何形状。
通过有限元分析，我们可以得到在不同频率下的磁滞损耗分布情况，并进一步优化变压器结构和非晶软磁材料的选择，以降低损耗。
在进行高频功率变压器中基于非晶软磁材料的损耗模拟与分析时，我们还需要考虑变压器的其他因素，如温度分布、电磁场分布等。
这些因素的综合分析能够帮助我们更好地优化变压器结构和非晶软磁材料的选择，提高变压器的效率和可靠性。
变压器的损耗及其模型
变压器的损耗及其模型
变压器是电力系统中不可或缺的重要组件之一，其任务是将电能从一个电路传送到另一个电路，同时改变电压大小。
然而，在变压器的运行过程中，会产生一定的损耗，这些损耗包括铁损耗和铜损耗。
铁损耗是变压器在磁通变化的过程中产生的损耗，主要是由于铁芯中涡流和磁滞损耗引起的。
铜损耗是由于变压器的线圈中电流通过产生的电阻损耗，主要包括线圈中的直流电阻和交流电阻损耗。
为了描述变压器的损耗，需要建立相应的损耗模型。
通常，变压器的损耗模型可以分为两部分：开路损耗和短路损耗。
开路损耗是指变压器在空载状态下的铁损耗，可以用变压器的等效电路模型来描述。
短路损耗是指变压器在额定负载下的铜损耗，可以用变压器的等效电路模型和等效电路参数来描述。
通过建立变压器的损耗模型，可以更加准确地预测变压器的损耗，为变压器的设计和运行提供基础数据和理论支持。
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开关变换器功率电感磁损建模及应用
开关变换器功率电感磁损建模及应用周岩;张俊波;陈麒米【摘要】以Buck、Boost变换器为例,根据磁损分离模型理论和开关变换器电路工作特征,提出一种简化的功率电感磁芯损耗计算模型.无需依赖任何磁性材料系数,仅利用一组正弦激励磁芯损耗数据就可预测Buck、Boost变换器在不同占空比下的磁损.该模型可有效体现不同因素对磁损的具体影响,通过实验测试数据验证了所提计算模型的正确性.%According to the theory of the core loss separation model and the operating characteristics of switching converter circuit,a simplified calculation model for core losses in power inductors is proposed,in which Buck and Boost converters are taken as examples.The characteristics of core losses in the Buck and Boost converters can be predicted in different duty cycles by using only core loss data under the sinusoidal excitation without relying on any magnetic material coefficients.The proposed model can effectively reflect the effects of different factors on the core losses,and the correctness of the model is verified by the experimental data.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2017(037)011【总页数】6页(P132-137)【关键词】Buck变换器;Boost变换器;功率电感;磁芯损耗;直流偏磁;建模【作者】周岩;张俊波;陈麒米【作者单位】南京邮电大学自动化学院,江苏南京210023;南京邮电大学自动化学院,江苏南京210023;南京邮电大学自动化学院,江苏南京210023【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言在高频开关变换器中磁性元件主要用作变压器和功率电感。
变压器的损耗如何进行优化设计
变压器的损耗如何进行优化设计在现代电力系统中，变压器作为能量传输和分配的关键设备，其性能的优劣直接影响到整个电力系统的效率和稳定性。
而变压器的损耗问题一直是电力工程师们关注的焦点之一，因为过高的损耗不仅会造成能源的浪费，还会增加设备的运行成本和维护难度。
因此，如何对变压器的损耗进行优化设计，成为了一个具有重要实际意义的研究课题。
变压器的损耗主要包括铁芯损耗和绕组损耗两大部分。
铁芯损耗又称为铁损，主要由磁滞损耗和涡流损耗组成。
磁滞损耗是由于铁芯材料在交变磁场中反复磁化时，磁畴的转动和摩擦引起的能量损失；涡流损耗则是由于铁芯中的感应电动势产生的涡流在铁芯电阻上产生的热能损失。
绕组损耗又称为铜损，是由于电流通过绕组电阻时产生的热能损失，其大小与绕组的电阻和电流的平方成正比。
要优化变压器的铁芯损耗，首先需要选择合适的铁芯材料。
目前，常用的铁芯材料有硅钢片、非晶合金和微晶合金等。
硅钢片具有良好的导磁性和较低的价格，但在高频下磁滞损耗和涡流损耗较大；非晶合金具有极低的磁滞损耗和涡流损耗，但价格相对较高；微晶合金则兼具了硅钢片和非晶合金的优点，是一种性能较为优越的铁芯材料。
在实际应用中，需要根据变压器的工作频率、容量和成本等因素综合考虑，选择合适的铁芯材料。
其次，优化铁芯的结构也可以降低铁芯损耗。
例如，采用卷铁芯结构可以减少铁芯的接缝，降低磁阻，从而减少磁滞损耗和涡流损耗；采用阶梯接缝可以改善铁芯磁通的分布，降低铁芯的局部饱和程度，减少涡流损耗。
此外，合理控制铁芯的磁通密度也可以降低铁芯损耗。
磁通密度过高会导致铁芯饱和，增加磁滞损耗和涡流损耗；磁通密度过低则会导致变压器的体积和重量增大，增加成本。
因此，需要根据变压器的工作条件和性能要求，选择合适的磁通密度。
对于变压器的绕组损耗，优化的关键在于减小绕组的电阻。
这可以通过选择合适的绕组材料和优化绕组的结构来实现。
在绕组材料方面，通常采用铜导线或铝导线。
铜导线具有良好的导电性，但价格较高；铝导线价格较低，但导电性略逊于铜导线。
高频平面变压器绕组损耗分析及参数优化设计
第18卷第4期2020年7月Vol.18No.4Jul.2020电源学报Journal of Power SupplyDOI：10.13234/j.issn.2095-2805.2020.4.178中图分类号:TM401文献标志码:A高频平面变压器绕组损耗分析及参数优化设计徐祯祥，徐秀华，王令岩，张益齐，赵絮(北京精密机电控制设备研究所，北京100076)摘要:针对高频电源变换技术的需求，分析了高频工作条件下，铜箔绕组的交流阻抗、结构参数和绕制方式对平面变压器损耗的影响，研究了并联绕组结构的损耗特征及影响因素。
根据研究和仿真分析结果，提出了高频工作条件下低损耗平面变压器绕组的几种结构优化设计方案，并进行了Maxwell3D仿真对比分析。
研制完成了高频平面变压器样机，最后进行了变压器的参数测试及分析和相应的电源变换模块带载试验，得到了效率最高、温升最低及变化最平稳的平面变压器绕组设计方案。
结果表明，并联绕组交叉结构能够减小变压器高频损耗、降低温升和提高效率。
关键词：平面变压器；绕组损耗；交叉绕组；温升Analysis of Winding Loss and Optimization Design of Parameters for High-frequency Planar TransformerXU Zhenxiang,XU Xiuhua,WANG Lingyan,ZHANG Yiqi,ZHAO Xu(Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls,Beijing100076,China)Abstract:Aimed at the requirement of the high-frequency power conversion technology,the influences of AC impedance,structural parameters,and winding mode of interleaving copper foils on the loss of a planar transformer are analyzed under high-frequency conditions,and the loss characteristics and influencing factors of the interleaving winding structure are studied.According to the analysis and simulation results,several structural optimization design schemes for low-loss planar transformer winding are put forward under high-frequency conditions,and simulations are compared and analyzed using Maxwell3D.In addition,a prototype of high-frequency planar transformer was completed.Finally,the transformer parameters were tested and analyzed,and an on-load experiment on the corresponding power conversion module was conducted,thereby obtaining a design scheme for planar transformer winding with the highest efficiency, lowest temperature rise,and most stable variations.Results show that the structure of interleaving winding can reduce the high-frequency loss and temperature rise of the transformer while improving its efficiency.Keywords:planar transformer;winding loss;interleaving winding;temperature rise目前高频化是电源变换模块高效轻小型化的一个重要技术发展趋势，而变压器作为电源变换模块的核心元件,高频化将给变压器热耗及性能带来严重影响。
高频电感线圈损耗的分析和计算
图 １ 高 频 下 的 电感 等 效 模 型
计 。但是 ， 随着 频率 的增加 ， 圈损耗 会逐 渐超过 磁 线
，一
线 圈间分布 电容 Ｃ 上介质损耗 的等效电阻 ｐ
磁芯损耗等效 电阻 ￡ —— 线圈的等效 电感 ． 在一定频率范围内近似不变
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｄ ｃｏ ｓｏ ｅ ｏ ｅ ｍｏ ｔｉ ｏ ｔｎ ｌｍｅ ｔｉ ｏ ｅ ｏ ｖ ｒ ｒｓ ｓ ｍｓ ａ ｄ ｉ ｎ ｉ ｇ ｌｓ ｆ ｃｓ ｔ ｅ ｓｒ ｃ ： ｕ ｔ ｒｉ ｎ ｆ ｈ ｓ ｍｐ ｒａ ｔｅｅ ｎ ｎ ｐ ｗ ｒ ｃ ｎ ｅ ｅ ｙ ｔ ｎ ｔ ｔ ｅ ， ｎ ｔ ｗｉｄ ｎ ｓａ ｆ ｔ ｈ ｓ ｏ ｅ
李 明勇，陈 敏 ，翟建 勇， 照明 钱
（ 江大学 ， 江 杭州 浙 浙 ３０２ ） １０ ７
摘要 ： 电感 是 开关 电源 中最 重要 的元 件 之 一 ， 电感 损 耗 的 大 小直 接 影 响 到 开 关 电源 的效 率 和 性 能 。 为 了设 计 出 高 性 能 的 开关 电源 ， 必 要 对 电感 中 的 线 圈 损 耗 进 行 分 析 和 计 算 。 回顾 了一维 和 二维 的 电感 损 耗 计 算 方 法 ， 此 基 有 在
１ 引 言
在 高频 开关 电源 中． 电感 是不 可或缺 的重要元 件 之 一 ， 损 耗 的大 小会 直 接 影 响整 个 开关 电源 的 其
性 能和效 率 。在低频 下 ， 电感 的损耗 主要 是磁 芯损
耗， 由于 线圈直 流 电阻很 小 ， 圈损耗 通常 可忽 略不 线
图 中 ＿
芯损 耗 ， 为 电感 损耗 的主 要部 分 。 成
在低频 下 ， 导线集 肤效应 的影响很 小 ． 一般依 据
电力系统中的变压器损耗分析与优化
电力系统中的变压器损耗分析与优化近年来，随着电力需求的快速增长，电力系统的可靠性和效率成为了一个重要的研究领域。
在电力系统中，变压器作为重要的输配电设备，起着将高压电能转换为低压电能的关键作用。
然而，在能量转换过程中，变压器存在着一定的损耗。
本文将重点讨论电力系统中的变压器损耗分析与优化问题。
一、变压器的工作原理与损耗类型变压器的工作原理是通过电磁感应将输入线圈的电能转换为输出线圈的电能。
在这个转换过程中，变压器的主要损耗包括铁损耗和铜损耗。
铁损耗是指变压器在工作过程中由于铁芯磁化和磁化反复过程中产生的磁滞损耗和涡流损耗。
磁滞损耗是由于铁芯在交变磁场作用下磁化和去磁化不完全造成的，而涡流损耗则是由于交变磁场通过铁芯时产生的涡流产生的。
铜损耗是指变压器在工作过程中由于冷却器和线圈中电流流过导致的电阻损耗。
电流流过变压器的线圈和冷却器时会引起一定的热量产生，从而导致能量损失。
二、变压器损耗的分析方法为了对变压器的损耗进行准确的分析，我们可以采用实验测试和理论计算两种方法。
实验测试是通过在实际工作环境中对变压器进行监测和测量，来获取其损耗数据。
而理论计算则是通过对变压器的结构和工作参数进行建模，然后根据电磁理论和电路理论进行计算得到的损耗数据。
实验测试方法主要包括了负载测试和空载测试两种。
负载测试是在实际工作负载条件下对变压器的输入功率和输出功率进行测量，然后根据功率差来计算变压器的损耗。
空载测试则是在没有负载的情况下，测量变压器的工作电流和空载损耗。
理论计算方法主要是基于电路理论和磁路理论来对变压器的损耗进行分析和计算。
通过组态软件对变压器进行建模，然后使用电磁计算软件进行模拟计算，从而得到变压器的铁损耗和铜损耗。
三、变压器损耗优化的方法为了降低变压器的损耗，提高电力系统的效率，我们可以采用以下几种方法进行优化。
首先，优化变压器的设计与选择。
合理设计和选择变压器的工作参数和结构，在满足负载需求的前提下，尽量减小铁损耗和铜损耗。
开关电源高频功率平面变压器串并混联PCB线圈交流损耗模型
文章编号 : 100323076 (2008) 0120030205
1 引言
高频功率磁元件线圈技术为减小磁元件高频损 耗的重要措施之一 ,正日益受到重视 ,其研究内容包 括开发新型线圈结构[1] 和磁芯结构[2 ,3] ,建立线圈损 耗模型 ,研究线圈设计技术[4 ,5] 等 。国外业界和学术 界对线圈技术展开了较多研究 ,国内虽开展了深入 研究[2 ,3 ,5 ,6 ,8 ,9] ,但还不够广泛 ,许多开关电源工作者 对此技术还较陌生 ,限制了线圈设计新技术的普及 应用 。
(4)
式中 k = j2πfσμ, f 、σ、μ分别为线圈电流频率以 及线圈导体的电导率与磁导率 ,j 为虚数单位 。边 界条件可由安培环路定律求得 ,为
Hx- i = Hx- i +1 + IiΠW
( i = 1 ,2 , …,5 ,且最外侧的 Hx- 1 = Hx- 6 = 0) (5)
Hx - 1 、Hx - 6 分别表示编号为 1 (通 I1 ) 和 5 (通 I5 ) 的
度和穿过回路的磁通 ,其中各物理量的矢量关系如
图 3 (图中的 1 、2 表示相互连接点) 。式 (12) 中的电
流密度通过式 (4) 、(5) 可用各 PCB 层的电流表示 ,
图 3 2 匝长形混联 PCB 线圈回路电压方程 各物理量矢量关系
Fig. 3 Loop voltage of 22turn rectangular parallel PCB winding
圈时 ,如节 213 中实验线圈的 4 匝混联原边线圈即
采用一层 PCB 板铺 2 匝的线圈结构 ,此时由于位于
同一层 PCB 板上的 n 匝线圈的电流密度一致且导
Байду номын сангаас体两侧的磁场强度也可近似看做只有 x 方向的分
带有中间抽头的高频大功率变压器的设计过程和计算方法
摘要：详细介绍了一个带有中间抽头的高频大功率变压器的设计过程和计算方法，以及要注意的问题。
根据开关电源变换器的性能指标设计出的变压器经过在实际电路中的测试和验证，效率高、干扰小，表现了优良的电气特性。
关键词：开关电源变压器；磁芯的选择；磁感应强度；趋肤效应；中间抽头0 引言随着电子技术和信息技术的飞速发展，开关电源SMPS(switch mode power supply)作为各种电子设备、信息设备的电源部分，更加要求效率高、成本小、体积小、重量轻、具有可移动性和能够模块化。
变压器作为开关电源的必不可少的磁性元件，对其进行合理优化的设计显得非常重要。
在高频开关电源的设计中，真止难以把握的是磁路部分的设计，开关电源变压器作为磁路部分的核心元件，不但需要满足上述的要求，还要求它性能高，对外界干扰小。
由于它的复杂性，对其设计一、两次往往不容易成功，一般需要多次的计算和反复的试验。
因此，要提高设计的效果，设汁者必须有较高的理论知识和丰富的实践经验。
1 开关电源变换器的性能指标开关电源变换器的部分原理图如图1所示。
其主要技术参数如下：电路形式半桥式；整流形式全波整流；工作频率f=38kHz；变换器输入直流电压Ui=310V；变换器输出直流电压Ub=14.7V；输出电流Io=25A；工作脉冲的占空度D=0.25～O.85；转换效率η≥85％；变压器允许温升△τ=50℃；变换器散热方式风冷；工作环境温度t=45℃～85℃。
2 变压器磁芯的选择以及工作磁感应强度的确定2.1 变压器磁芯的选择目前，高频开关电源变压器所用的磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。
这些材料中，坡莫合金价格最高，从降低电源产品的成本方面来考虑不宜采用。
非晶合金和超微晶材料的饱和磁感应强度虽然高，但在假定的测试频率和整个磁通密度的测试范围内，它们呈现的铁损最高，因此，受到高功率密度和高效率的制约，它们也不宜采用。
虽然铁氧体材料的损耗比坡莫合金大些，饱和磁感应强度也比非晶合金和超微晶材料低，但铁氧体材料价格便宜，可以做成多种几何形状的铁芯。
基于ZCS的高频开关电源中IGBT损耗的建模与计算
基于ZCS的高频开关电源中IGBT损耗的建模与计算
梅建伟
【期刊名称】《湖北汽车工业学院学报》
【年(卷),期】2008(022)001
【摘要】分析了基于ZCS的高频开关电源中IGBT损耗的主要表现形式.针对电源工作特点以及负载特性,详细的分析了电源工作时的4种工作模式,计算了在各种工作模式下电路中的电流以及电容两端的电压.通过对IGBT损耗表现形式建立适当的数学模型,计算了该电源中IGBT的损耗;并结合实际的使用情况.总结了计算IGBT 损耗的分析方法、遵循的原则以及工程算法,对IGBT的工程应用具有指导意义.【总页数】4页(P37-40)
【作者】梅建伟
【作者单位】湖北汽车工业学院,电气工程系,湖北,十堰,442002
【正文语种】中文
【中图分类】TM564
【相关文献】
1.PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析 [J], 郑利军;任天良;姜燕
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第23卷第3期2004年7月电工电能新技术Advanced T echnology of E lectrical Engineering and EnergyV ol.23,N o.3July 2004收稿日期:2003212222作者简介:毛行奎(19782),男,福建籍,博士,主攻电力电子功率变换技术、电磁场数值计算及高频功率磁技术;陈 为(19582),男,福建籍,教授,博导,博士,主攻电力电子功率变换技术、工程电磁场及高频功率磁技术。
高频开关电源中间抽头变压器线圈损耗的建模及其应用毛行奎,董纪清,陈 为(福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350002)摘要:中间抽头变压器由于两个副边线圈是分时工作,其线圈损耗模型不同于无抽头原副边线圈同时工作的变压器。
本文采用线圈电流谐波分解和线圈窗口磁势分析的方法对中间抽头变压器线圈损耗进行建模和分析,结果表明变压器奇次电流的磁势在原副边线圈间平衡,偶次电流的磁势在副边两个线圈间平衡。
该模型的建立有助于中间抽头变压器线圈的优化设计,中间抽头引出线设计以及线圈损耗的测量。
在一个3kW 变压器设计上的应用验证了模型的有效指导意义。
关键词:开关电源;中间抽头变压器;线圈损耗中图分类号:T M43 文献标识码:A 文章编号:100323076(2004)03200432041 引言随着开关电源工作频率和功率的不断提高,磁性器件的体积和损耗已经成为电源功率密度提高的瓶颈[123],因此对磁性器件的分析和设计将越来越重要。
中间抽头变压器广泛应用于副边采用双半波整流的功率变换器,尤其是大功率变换器中。
中间抽头变压器与无抽头原副边同时工作的变压器(如一般正激式变换器的变压器。
为文字简练,以下均简称为无抽头变压器,特指副边线圈没有抽头,原副边线圈同时工作的变压器)的主要区别在于:后者原副边线圈同时有电流,安匝平衡;而前者虽然原副边线圈总电流也满足安匝平衡,但副边两个线圈的电流是不同时的。
对于开关方式工作的高频变压器,线圈总损耗可以分解为线圈电流各次谐波分量对应的损耗之和[4,5]。
文献[6]给出具有“优化结构”的变压器线圈损耗的D owell 改进模型[7],但该模型只适用于无抽头变压器。
依据该模型可进行导体线径和层数的优化设计。
但对于中间抽头变压器,副边两个线圈是分时工作,不工作的那个线圈在部分时间内虽没有工作电流,但仍会感应出邻近涡流损耗[8],不具有D owell 模型要求的“优化结构”,因此适用于无抽头变压器的线圈损耗模型[6,7]以及损耗测量方法不能应用于中间抽头变压器。
因此对有抽头变压器的线圈高频涡流损耗模型做深入的分析,对这类变压器的损耗分析和优化设计具有重要的理论指导和实际意义。
本文第二部分通过中间抽头变压器线圈电流的谐波分解,分析变压器各线圈电流安匝的磁势平衡并应用该模型进行线圈布置结构的分析与优化。
第三部分,得出适用于中间抽头变压器的线圈损耗模型,并进一步根据模型提出适用于中间抽头变压器线圈损耗测量的阻抗分析仪短路测试法。
第四部分根据模型提出中间引出线的优化选择方案。
第五部分通过对一个3kW 变压器的改进设计验证模型的有效性及实用指导意义。
2 中间抽头变压器线圈损耗模型建立线圈损耗模型的关键是分析出线圈窗口的磁势或磁场强度分布,然后由涡流方程得出线圈导体的涡流分布和损耗。
由于线圈窗口磁势分布是由线圈电流决定的,因此先分析各个线圈的电流。
图1图1 中间抽头变压器各线圈工作电流波形Fig.1 Winding current waveforms of central 2tapped trans former为中间抽头变压器各线圈电流的理想波形,(t 12t 2)和(t 32t 4)期间为开关死区时间。
波形主要特点为副边两线圈N sa 、N sb 是分时工作的,且在开关死区时间内,变压器原、副边没有电流。
进一步对图1的电流做交直流分解(如图2a )和交流奇偶次分解(如图2b )。
在图(2)b 中,把图2a 交流分量i SaAC 、i SbAC 进一步分解为变压器工作期间(t 02t 1,t 22t 3)的分量i SaAC 1、i SbAC 1和死区期间(t 12t 2,t 32t 4)的分量i SaAC 2、i SbAC 2。
(a )线圈电流交直流分解(b )线圈电流交流分量奇偶分解图2 中间抽头变压器各线圈电流谐波分解Fig.2 Current decom positions of central 2tapped trans former 图(2)b 说明,在变压器工作期间,三个线圈同时存在交流电流,磁势在变压器原副边三线圈间平衡;而在开关死区期间,交流电流只存在于两个副边线圈,磁势在两个副边线圈间平衡。
由于i SaAC 1、i SbAC 1的奇对称性,i SaAC 2、i SbAC 2的偶对称性,也可以说奇次磁势平衡于原副边三个线圈间,而偶次磁势(包括直流,见图2a )只平衡于副边两个线圈间。
而对于无抽头变压器,由于其磁势只能在原副边间平衡,无论对原边还是副边电流,也无论对何次谐波分量,磁势都是在原副边间平衡的。
总之对中间抽头变压器,线圈损耗模型必须分别考虑不同次谐波在不同线圈间的磁势平衡,或者理解为不同次的谐波电流在两个无抽头变压器,即由原边(Np )和副边(Nsa +Nsb )两线圈组成的一个无抽头变压器以及由一个副边(Nsa )和另一个副边(Nsb )(这时原边线圈看成开路)组成的另一个无抽头变压器的线圈损耗之和,这一模型大大方便了线圈的优化设计与分析。
值得一提的是中间抽头变压器线圈电流奇偶次分量的大小比例取决于电路的拓扑,对全桥移相拓扑,如开关死区时间较小,则偶次分量较小,一般可以忽略;但对于谐振型拓扑,原边电流为正弦全波,两副边电流各为正弦的上下半波,这时副边电流的偶次分量较大,就必须考虑。
因此中间抽头变压器的线圈优化设计,不仅与开关频率有关,还与电路拓扑(电流谐波比例)有关。
图3 中间抽头变压器不同线圈布置方案窗口磁势分布Fig.3 MMF distributions with different winding arrangements对于中间抽头变压器,如果不通过线圈电流奇偶次分解,只能做出(t 02t 1),(t 22t 3)分时段的线圈窗口磁势分布,难于进行线圈布置结构的优化设计。
而如果根据以上分析的磁势平衡特点,则很容易做出变压器线圈窗口在一个周期内的磁势分布,即分别做出平衡于原、副边三个线圈的奇次磁势分布和平衡于副边两个线圈的偶次磁势(包括直流)分布,即两个无抽头变压器线圈窗口的磁势图,并据此进行线圈结构分析与优化。
图3给出三种针对6层线圈的线圈布置方案模型图,方案1为P 2P 2S a 2S a 2S b 2S b ,方案2为P 2S a 2S a 2S b 2S b 2P ,方案3为S a 2P 2S b 2S a 2P 2S b 。
假设铁芯磁导率足够大,由磁势平衡原理,根据安培环路定律可做出图3所示的线圈窗口磁势分布图。
其中靠左的磁势图为奇次磁势44 电工电能新技术第23卷图,靠右的为偶次磁势图。
方案3线圈窗口的磁势分布最均匀,即涡流损耗最小,漏感最小,具有最佳线圈结构。
根据线圈电流奇偶次分量所对应的磁势分布图,可以很方便地进一步分析导体的各次谐波损耗和总损耗,并进行线圈线径或铜皮厚度优化。
3 中间抽头变压器线圈损耗测试方法开关方式工作的高频变压器线圈损耗为线圈电流各次分量对应的损耗之和,如式(1)。
式中I (i )为各次谐波电流有效值,Rac (i )为各次谐波对应的线圈交流电阻。
对于无抽头变压器,一般采用如图4所示的短路测试法用阻抗分析仪扫频测得P windingloss =I 2dcR dc +∑ni =1I 2(i )Rac (i )(1)Rac (i )(采用阻抗分析仪测试变压器交流电阻简单,方便,精确[9]),因为无论奇偶次电流均平衡于原副边。
但对于中间抽头变压器,由于有两个副边且分时工作,直接采用图4方法则无法测得Rac (i )。
根据中间抽头变压器奇次磁势平衡于原、副边三个线圈,而偶次磁势平衡于副边两个线圈的分析结论,线圈交流电阻必须分为奇次和偶次分别测量,其中奇次电流损耗对应的交流电阻Rac (odd )由原边短路测得;而偶次电流损耗对应的交流电阻Rac (even )由原边开路,其中一个副边短路测得,如图5。
即分为两个无抽头变压器来测量。
然后再根据各次电流分量由式(1)求得线圈总损耗。
图4 无抽头变压器线圈交流电阻短路测试法Fig.4 Sh ort 2circuit test meth od for Rac of n on 2tapped transformer图5 中间抽头变压器线圈交流电阻短路测试法Fig.5 Short 2circuit test of Rac of central 2tapped trans former4 中间抽头引出线设计中间抽头变压器磁势平衡特点说明,中间抽头上并没有奇次电流分量,只有偶次电流分量(包括直流),这对设计中间抽头引出端有明确的指导意义。
随着开关频率的提高,大功率变换器的变压器副边线圈匝数降低,往往采用铜皮做副边线圈。
在高频和大电流情况下,引线引起的损耗是要认真考虑的。
图6为制作大功率全桥移相电路中间抽头变压器副边线圈的两种方案。
对于图6(a )的双条铜皮方案,副边两线圈分成两条铜皮绕制,两个线圈通过引出线在PC B 上焊接形成中间抽头。
对于图6(b )的单条铜皮方案,副边两个线圈由一条铜皮绕成,中间抽头由引出线焊在铜皮上直接引出。
这两种方案线圈电流的路径如图6所示。
其中虚线为奇次电流,实线为偶次电流。
对单铜皮方案,奇次电流不经过中间引出线,路径比奇次电流要来回经过引出线的双铜皮方案缩短,大大减小了引线上的交流损耗。
而且单铜皮方案下,流过中间引出线的电流主要为直流分量和较小的偶次交流分量,所以中间引出线在设计和工艺上只要着重考虑如何降低直流电阻,可以采用粗圆导线直接焊成,这样工艺简单且便于加套管(圆导线易加套管),满足电气安全规程要求。
图6 副边线圈中间抽头引线方案及奇偶次电流路径Fig.6 Schemes of central tap terminals and current paths5 模型应用实例根据模型,对一个3kW (输出24V Π125A ,开关工作频率85kH z )全桥移相功率变换器的中间抽头变压器作了改进设计。
原变压器设计参数:铁芯ER59,材料3C96,设计磁密Bmax =0114T;线圈结构为图3的三明治结构方案2(原边匝数分为两层);原边匝数Np =23,采用180股<0112mm 里兹线。