平面变压器绕组高频损耗的研究
分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计
分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计摘要:平面变压器是一种新兴的开关电源产品,其设计合理性能够直接影响到开关电源产品的大小、成本和性能,鉴于此,要想使其在一些大功率开关电源设备中发挥出最大的利用价值,关键任务就是要对当前结构设计较为复杂的大功率平面变压器和电感器进行全面的优化与完善。
本文也会通过相应的仿真模型,来对两者的优化设计进行着重分析,并提出合理的意见和建议,以便有关人士参考。
关键词:平面变压器;电感器;优化设计要点;研究分析前言目前,在高压大功率场合中,大功率平面变压器一般都会根据拓扑电路进行单独设计,而一般的设计方法仅仅是满足电路能正常工作,并不是性价比高的设计,鉴于此,要想改善现状,使大功率平面变压器在高压大功率开关领域中得到更好的应用与发展,当务之急就是要对平面变压器和电压器的结构设计进行全面的优化。
1.高压大功率平面变压器的热仿真及优化设计分析通常,判断平面变压器的设计是否合理,关键任务就是要看其温升是否合理,即变压器的工作温度是否为最佳工作温度。
鉴于此,在对高压大功率平面变压器进行优化设计时,就要采用AnsysWorkbench热仿真软件对平面变压器进行热仿真分析,在这一环节中,首先要根据变压器实物构建一个热仿真模型,如图一所示。
并在模型中输入相应的模型参数,如材料参数、环境参数等,同时还要利用有限元的方法对这些参数进行计算,这样才能在后处理结果中获得变压器的温度参数。
从最终仿真结果来看,平面变压器的绕组温升较低,而磁芯的温升较高,这证明变压器在运行过程中,会产生较大的磁芯损耗。
另外,为了准确计算出变压器的热阻值,还要在热仿真模型中分别将磁芯损耗和绕组损耗设置成唯一的热源,这样能根据模型求解出变压器的热阻值,即根据模型求解结果显示,当变压器在运行期间磁芯温度和绕组温度都高于标准值时,就会产生单磁芯损耗问题;另外,若变压器在工作状态下,仅绕组温度较高,而磁芯温度正常时,会产生单绕组损耗问题,鉴于上述情况,要想得以改善,就要结合热电相似原理,将最大温升带入到热模型中,来对模型中各部分热阻进行计算。
平面变压器电流均分的n∶1绕组布置方法
B 的电流IA 、
IB 方向相反,当电流变化时,导体 A 产
导.通过三维有限 元 分 析 模 拟 和 物 理 实 验,提 出 并
面的电流增大,上表面的电流减小,同理,导体 A 中
验证最优电流分布.本文针对绕组损耗以及并联绕
也会因为导体B 产生的突变磁通ΦB-A 而产生涡流,
组电流均分问题,提出一种并联绕组的结构设计,以
1)
( 3)
x
( a)!"#$%&'
h
H (x2)
H (x4)
I1
用 w 和h 表示,且 w 远大于h,
y 为电流方向.
z
y
h
(
3)
Ñ2H =2
πj
f
μγH
z
y
h
值,
θ 为相角,有 ∂B/∂
t=jωB ,可得:
如图 4 所 示,匝 比 为 2∶1 的 平 面 变 压 器,初 级
h
设场量波形为 K =K mcos(
计平面变压器时次 级 绕 组 的 个 数 不 止 一 个,次 级 各
绕组同时工作时工 作 绕 组 电 流 可 能 存 在 差 异,此 时
会相应地产生涡流损耗.
图 9 中,N1 为 初 级 匝 数,电 流 为i1 ,
N2 、
N3 、
图 6 匝比为 4∶1 的 8 层绕组平面变压器结构示意图
根据 绕 组 结 构 的 对 称 性,并 联 绕 组 中 的 电 流 也
电常数,
γ 为 导 体 的 电 导 率. 将
μ 为导体的磁 导 率,
方程组(
1)代入安培环路定律的微分方程,两边取旋
[收稿日期]2020-09-25
[基金项目]湖北省技术创新专项重大项目(
浅谈平面变压器绕组结构设计
浅谈平面变压器绕组结构设计作者:许艺娟来源:《科学导报·科学工程与电力》2019年第25期【摘要】平面變压器扁平状的特点使其在空间和高度要求较高的场合应用广泛,是实现开关电源小、轻、薄的重要手段。
其绕组结构对变压器的漏感和分布电容有着重要影响,从而影响着开关电源的性能。
本文采用Maxwell 2D仿真分析了不同绕组结构对平面变压器交流损耗的影响。
【关键词】平面变压器;绕组结构;交流损耗引言近年来电子设备日益小型化、高效率化,轻、薄、小已成为衡量电子设备的重要标志。
平面变压器具有高频、低造型、散热性能好等特点是电信、电焊机、计算机和外设、网络、医疗电子、工业控制、安全系统和电子设备的理想选择。
本文采用Maxwell 2D仿真分析了单路反激平面变压器不同绕组结构的交流电阻及交流损耗。
1、不同绕组结构介绍简单绕组结构的变压器绕组布置为先原边后副边,或者先副边后原边;三明治结构的变压器绕组为副边包围原边,或者原边包围副边;交叉换位结构是指原边绕组交叉放入副边绕组,或者副边绕组中交叉放入原边绕组,即原副边绕组交替布置。
三明治绕法和交叉换位技术均无法减小集肤效应引起的绕组损耗,但是都能有效减小邻近效应产生的绕组损耗,且交叉换位技术减小由邻近效应引起的绕组损耗的效果比三明治绕法好。
其原因是,由安培环路定律可知,绕组两表面的磁场强度之差由绕组中的电流决定,因而,绕组结构对集肤效应产生的绕组损耗并无影响。
三种变压器结构中,交叉换位结构磁芯窗口的最大磁场强度最小,因而绕组两表面的磁场强度之和最小,邻近效应产生的绕组损耗也最小,其减小漏感的效果最好。
综合以上分析,采用三明治绕法和交叉换位技术均可以减小变压器漏感和由变压器特性磁场引起的绕组交流损耗,且交叉换位技术效果更好。
2、Maxwell 2D仿真分析电流纹波越大,电感器特性磁场的比重越大,所引起的绕组交流损耗也越大。
本节取占空比为0.35时一个开关周期内的电流波形,对其进行傅立叶分析,再将各次谐波电流赋给绕组,仿真分析不同平面变压器模型的绕组交流损耗。
变压器损耗
变压器的损耗分为铁损与铜损1、铁损(即磁芯损耗)包括三个方面:(1)磁材料在外磁场的作用下,材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动,这就是说当外磁场去掉时,磁畴仍能恢复原来的方向;而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动,即当外磁场去除时,磁畴仍保持磁化方向。
因此磁化时,送到磁场的能量包含两部分:前者转为势能,即去掉外磁化电流时,磁场能量可以返回电路;而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉,这就是磁滞损耗,是不可恢复能量。
每磁化一个周期,就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量。
频率越高,损耗功率越大;磁感应摆幅越大,包围面积越大,损耗也越大。
(2)涡流损耗,当变压器工作时。
磁芯中有磁力线穿过,在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流,由于此电流自成闭合回路形成环流,且成旋涡状,故称为涡流。
涡流的存在使磁芯发热,消耗能量,这种损耗称为涡流损耗。
(3)剩余损耗是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。
所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中,磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态,而是需要一个过程,这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。
从铁损包含的三个方面的定义上看,只要控制磁力线的大小便可降低磁滞损耗,减少磁芯与磁力线垂直的面积可以减少涡流损耗。
《开关电源中磁性元器件》一书中指出:由上面的话可以看出,在磁芯材质与形状,体积等都确定的情况下,变压器的铁损与变压器的工作频率以及磁感应强度摆幅deltB成正比。
磁滞在低场下可以不予考虑,涡流在低频下也可忽略,剩下的就是剩余损耗。
在磁感应强度较高或工作频率较高时,各种损耗互相影响难于分开。
故在涉及磁损耗大小时,应注明工作频率f以及对应的Bm 值。
但在低频弱场下,可用三者的代数和表示:tanδm= tanδh+tanδf+tanδr。
式中tanδh tanδf tanδr分别为:磁滞损耗角正切,涡流损耗角正切,剩余损耗角正切。
多层平面结构高频变压器的特性分析
2014.09127·磁性元件与电源2!ዔ平面磁性器件的研发,解决了传统型磁性器件在结构上对现代电子设备要求小型化、低高度,热传导性能好,损耗小等的不适应性。
现在,电子设备的发展进步,大量需要适用于高频变换器的,具有以上优点的小尺寸平面型磁性器件。
为了能够一次性地精确设计出高频磁性元件,必须对其漏感、绕组的分布电容、趋肤效应和邻近效应等寄生成分的准确数据进行计算。
经过多年实现,对于叠层变压器、矩阵变压器、圆形螺旋线圈薄膜变压器等磁性元件已经有了比较成熟的设计方法和经验数据。
本文介绍两种多层平面型带气隙变压器的设计。
在本设计中,首先,将电路模型以频率关系为特性,假设磁性材料是线性的,并且没有磁滞效应。
因此,不需要区分输入电压的性质。
其次,需要考虑线圈内的磁通分布,以便确定如何有效地利用磁芯的质量,以及如何使磁通在线圈内分布均匀。
掌握磁芯中涡流分布的知识,则有助于计算线圈的铜损和磁性材料中的涡流损耗。
其三,本设计磁性元件所使用的磁性材料是TDK 公司的MnZn 铁氧体材料,将它们用于高频多层平面磁性元件,以研究其电感和电压比与频率的特性关系,同时探讨两种不同绕组结构的磁通分布和涡流分布,并使用边界单元法编制的CAD,CAE 软件计算有关数据。
3!ࣶށຳෂܤኹஉ৩ૺଐႯෝቯ工作频率在1MHz 左右的高频直流变换器需要几微亨(μH)的电感值。
在高频时所使用的电感器结构,最常见的是存在开路、闭路或螺旋型结构的多层磁路。
在本案的设计与试验中,初级和次级线圈采用的匝数相同,Ⅰ型样品为3匝,Ⅱ型样品是1匝。
铁氧体磁芯的尺寸是17.6×17.6×20(mm 3)。
图1示出了螺旋型绕组结构,而磁芯结构为基本开路型。
多层平面结构高频变压器的特性分析Analysis of Planar Sandwich High Frequncy Transformer Performance华冬宝 供稿摘 要:文章介绍了两种不同绕组结构的平面多层并带气隙的高频变压器的特性分析,得出了线圈自感、电压比与频率之间的关系,磁通分布和涡流分布的数值计算方法及结果,指出电压比和匝数比是不相同的,原因是电压比与频率有关。
平面变压器在电源中的设计应用
平面变压器在电源中的设计应用文章通过对平面变压器所具有的特点进行系统的分析,并且结合在电源中的一些实例,从而进一步探讨平面变压器设计和实际应用等问题。
标签:平面变压器;开关电源;集肤效应前言现代的工作和生活对许多电子产品提出了小型化的要求。
而作为电子产品工作的能源-开关电源是必不可少的。
特别是功率较大的电子产品,电源部分占据了较大的体积和重量,。
而在在开关电源中,磁性器件大概占到开关电源体积和重量的30%-40%。
降低磁性器件的体积和重量就显得尤为重要。
平面变压器具有体积小,功率密度高刚好能满足这些要求。
因此,平面变压器取代传统变压器是开关电源发展的一个趋势。
1 平面的绕组特点平面变压器绕线方式就是借鉴了印制电路板的形成方式,平面变压器具有很多优点。
下面我们就对其特点进行分析,第一,平面变压器绕线方式就是借鉴了印制电路板的形成方式,使用这种方式对其进行生产,实际效率相对较高;第二,平面变压器的实际绕组参数是统一的,相对的离散性比较小;第三,平面变压器使用的是高性能的绝缘材料,使压层、线圈之间的保持良好的绝缘性;第四,其实际的引脚的位置可以根据实际需要进行自由分配,局限性相对较小,数量上也能够随之进行增减;第五,能够将集肤效应降到最低;第六,其相对的物理结构相当密实,线圈的固化结构也非常紧密、不需要使用支架进行绕线,自激振荡性小,相对能量的损耗也较小;第七,还能与控制应用模板进行统一的设计和装配。
由于平面变压器是一种新型的技术,不管是在理论上、材料的性能上、电能的性能指标、实际体积等众多方面有一定的提升和创新。
2 实际应用我们在平面变压器电源中的可行性实验里,使用文中提到的理论依据进行研究,从而进行了一系列工程化的工作,其平面变压器的电源有很多种不同的设计。
以320VDC/12VDC 25A变换器为例,对比常规变压器以及平面变压器。
将双管反激电路作为主电路,将开关频率黄蓉胡阳设置为100千赫,借助普通高频变压器的设计方案,联合应用两个EI33型磁芯,设计30匝原边,使用0.81毫米直径的漆包线作为绕组,2匝副边,0.3毫米铜皮的绕组,将2层使用并联的方式。
高频低压平面变压器磁芯气隙的研究
第38卷第3期计算机仿真2021年3月文章编号:1006 - 9348 (2021)03 - 0190 - 04高频低压平面变压器磁芯气隙的研究王星,程志江,孟德炀,翁雄亮(新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐830047)摘要:变压器时常发生磁饱和现象。
为防止磁饱和的发生,通常在磁路中加人一段气隙或减少绕组匝数。
研究在磁回路中 加人气隙来避免磁饱和时,气隙量对高频平面变压器特性参数的影响。
以TDK铁氧体设计的髙频平面变压器为研究对象,通过理论分析计算出饱和电流和气隙量。
在ANSYS中建立3D仿真模型和电路简化模型,改变气隙量,分析高频平面变压 器的涡流场、静电场特性以及原副边电压特性,将仿真数据用MATLAB处理后,得出其电气参数变化规律。
关键词:髙频平面变压器;涡流场;静电场;磁芯气隙;磁饱和中图分类号:TP391.9 文献标识码:BResearch on Air Gap of Magnetic Core of Low Voltage H P TWANG Xing,CHENG Zhi - Jiang,MENG De - Yang, WENG Xiong - Liang(College of Electrical Engineering,Xinjiang University,WulumuqiXinjiang830047,China) ABSTRACT:Magnetic saturation often occurs in transformers.In order to prevent the occurrence of it,an air gap is usually added to the magnetic circuit or the number of winding turns is reduced.This paper studied the effect of air gap on the characteristic parameters of high frequency planar transformer when air gap was added to the magnetic circuit to avoid magnetic saturation.Taking the high frequency planar transformer designed by TDK ferrite as the research object,the saturation current and air gap were calculated through theoretical analysis.In ANSYS,a3D simulation model and a simplified circuit model were established to change the air gap and analyze the eddy current field, electrostatic field characteristics and the original and secondary voltage characteristics of high frequency planar transformer.After processing the simulation data with MATLAB,the variation law of electrical parameters was obtained.KEYW ORDS:High frequency planar transformer;Eddy current field;electrostatic field;Magnetic core gap;Magnetic saturationi引言在磁化曲线(B-H曲线)中,当磁场强度(H)达到某一 值时,磁感应强度(B)就不再随磁场强度的增加而增加了,这种现象就叫做磁饱和现象。
平面变压器
平面变压器与应用综述Survey and application of the planar transformer1.引言高频、高功率密度的电源变换模块在电力电子设备中得到广泛的应用和发展。
要提高变换器的功率密度,关键是降低磁性元件的体积和重量。
一方面,从传统的电工磁理论考虑,对于一定的线圈窗口面积和铁芯横截面积,对最优结构,要求线圈回路和铁芯回路的长度最短,以减小铁芯总体积和线圈的平均长度;另一方面,从热设计理论考虑,最大化地增加磁性元件的散热表面积,且使从磁件热点到磁件表面积的热阻降低,从而提高功率密度。
变压器结构正经历三次更新换代。
第一次是平面变压器,体积和重量比立体变压器(普通变压器)减少80%,已形成从5W至20KW,20KHZ至2MHZ的产品,效率典型值为98%。
第二次是片式变压器,对低压大电流特别适用,高度(厚度)更进一步降低,电流可达100安以上,采用一个次级绕组多个磁芯组成,代替以前的一个磁芯多个绕组。
多个磁芯的初级绕组串联,从而达到降压隔离的要求。
内部温升比平面变压器低,只有10℃左右。
可以装在额定温升更高的基板上工作。
第三次是薄膜变压器,采用薄膜后高度低于1mm。
工作频率超过1MHZ,达到10~100MHZ。
由于采用集成电路工艺制造,成本并不增加。
是直流开关电源变压器的最新发展方向。
之所以强调"正经历",是因为在现阶段,不同的应用范围和市场,从性能价格比出发,要求的变压器结构形式也不一样。
立体变压器仍然大量使用。
平面变压器已形成系列,正在推广。
片式变压器处于个别和小批量生产阶段。
薄膜变压器只是个别情况,仍处于研究开发阶段。
由此可见,铁氧体平面变压器将在未来的功率变换模块中发挥极为重要的作用,特别在较大功率模块中起的作用显得更为突出。
2.结构原理平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯。
现以2个磁芯的平面变压器为例介绍其结构,如图1所示。
每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接,铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁。
改进型分段气隙的高频平面变压器研究
电力系统及其自动化学报Proceedings of the CSU -EPSA第33卷第6期2021年6月Vol.33No.6Jun.2021改进型分段气隙的高频平面变压器研究侯宇琦,王议锋,陈晨,陈博(天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072)摘要:基于一种适用于家庭储能的1MHz 双向Multi -CLLC 直流变换器,提出了一种应用于高频变换器的平面变压器设计方法。
该方法充分考虑了高频应用下的磁芯材料特性、磁路磁通相消原理和绕组趋肤效应、邻近效应的影响,对磁件设计具有重要意义。
搭建了一台400W 的实验样机验证设计的合理性与可靠性,在额定工况下进行实验,实现了最高94%的工作效率。
分析实验波形存在的问题,提出改进型分段气隙变压器结构,对低压侧三路输出不均的问题进行改善,并利用ANSYS Maxwell 3D 瞬态场和涡流场求解器仿真验证了改进型结构在磁场分布、磁芯损耗和绕组损耗三方面的优化效果,证明了改进结构的可行性。
关键词:平面变压器;高频;双向直流变换器;谐振拓扑;高增益中图分类号:TM464文献标志码:A文章编号:1003-8930(2021)06-0110-11DOI :10.19635/ki.csu -epsa.000739Research on High -frequency Planar Transformer with Modified Sectional -air -gapStructureHOU Yuqi ,WANG Yifeng ,CHEN Chen ,CHEN Bo(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China )Abstract:Based on a 1MHz bidirectional Multi -CLLC DC/DC converter which is suitable for household energy stor⁃age ,a planar transformer design method for high -frequency converters is proposed in this paper.This method fully con⁃siders the material characteristics of magnetic core ,the principle of magnetic circuit flux cancellation ,winding skin ef⁃fect ,and proximity effect ,which is of significance to the design of magnetic components.A 400W experimental proto⁃type was built to verify the rationality and reliability of the design.Under rated conditions ,the maximum working effi⁃ciency achieved 94%.In addition ,after the analysis of the problems in experimental waveforms ,a modified sectional -air -gap transformer structure was proposed to improve the uneven output from the three transformers on the low -voltage ing ANSYS Maxwell 3D transient solver and eddy current solver ,the optimization effects of the modified struc⁃ture on the magnetic field distribution ,core loss and winding loss are verified ,which proves the feasibility of the modi⁃fied structure.Keywords:planar transformer ;high frequency ;bidirectional DC/DC converter ;resonant topology ;high voltage gain 随着电力电子技术的发展,家庭储能发电系统将成为分布式电网的最小单位。
MHz级平面变压器的设计及漏感与损耗的分析
MHz级平面变压器的设计及漏感与损耗的分析张杰;刘翠翠;赵运【摘要】基于反激变换器设计一款MHz级平面变压器.首先根据印制板平面变压器磁芯的最小结构常数初选了磁芯,利用磁芯损耗与温升的关系,初步选取了工作磁通密度,进一步计算了原副边匝数、线宽.在磁性元件设计软件Ansoft Pexprt中进一步完成平面变压器结构的设计,在有限元分析软件Maxwell2D中对平面变压器的漏感与损耗进行了仿真.根据仿真设计,对变压器的印制电路板进行了布局,制作实物对漏感损耗进行了测试与计算,验证了平面变压器设计的正确性.【期刊名称】《湖北工业大学学报》【年(卷),期】2018(033)005【总页数】4页(P21-24)【关键词】MHz级;平面变压器;有限元;漏感;损耗【作者】张杰;刘翠翠;赵运【作者单位】湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心,湖北武汉430068;珠海格力电器股份有限公司,广东珠海519070;国网湖北省电力有限公司沙洋县供电公司,湖北沙洋448200【正文语种】中文【中图分类】TM433高频变压器是开关电源的重要组成部分,传统的高频变压器由于骨架占用了大部分体积,不利于开关电源的高功率密度化,而平面变压器具有造型低、散热性好、漏感小等特点。
但在高频下,平面变压器也会受到高频效应的影响,增加了损耗,降低了电源的效率。
因此,考虑高频效应的影响,减小平面变压器的损耗与漏感,对平面变压器进行优化设计具有重要意义。
1 平面变压器的工程设计以反激平面变压器为例,基于反激变换器的电路参数:输入电压为直流24 V,输出电压为直流5 V,工作频率为1 MHz,最大输出功率为30 W,工作温度为25℃,最大温升不超过40℃。
对平面变压器进行初步设计,主要分为以下步骤。
1.1 初选磁芯根据印制板平面变压器磁芯的最小结构常数可初步选择满足磁芯窗口的磁芯,最小结构常数[1]:(1)其中kh为高度系数,考虑到板层之间的间隙,可取1.1~1.3,此处取1.2。
LLC高频变压器绕组布局的研究
LLC高频变压器绕组布局的研究杨丽雯;陈尚思;张彤彤【摘要】开关电源正朝着高效率和高功率密度的方向发展,变压器是开关电源中的关键器件,如何减小变压器体积和损耗是电源设计的重要议题.文章主要研究了高频变压器原副边绕组排布方式对绕组损耗的影响,得到最优的绕组布局.通过有限元分析软件证实分析结果的正确性和有效性.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2018(035)009【总页数】3页(P8-9,13)【关键词】绕组损耗;排布方式;高频变压器【作者】杨丽雯;陈尚思;张彤彤【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,江苏南京2111 00;南京航空航天大学自动化学院,江苏南京2111 00;南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京211100【正文语种】中文0 引言磁性元器件如变压器、电感,是电力电子变换装置的重要组成部分,担负着能量的存储与转换、滤波和电气隔离等功能,其体积和重量一般占整个变换器的20%~30%,损耗占总损耗的30%左右。
因此如何优化设计磁性元件,特别是磁性元件中较为重要的变压器,是电源设计的核心,它是减小尺寸、降低损耗和成本的关键。
提高变换器的工作频率能有效减小变压器的体积,但高频下由于邻近效应、集肤效应以及边缘效应的影响,变压器会产生更大的损耗,降低变换器效率。
高频变压器的绕组损耗占变压器总损耗的很大一部分,绕组损耗取决于绕组的排布方式、导线线径和开关频率等因素。
在文献[1]中Dowell提出了变压器绕组损耗的一维模型,对变压器漏感值和绕组交流电阻进行了计算和测试。
围绕Dowell的一维损耗模型,国内外学者做了很多研究工作以验证其正确性和精确度。
但对LLC变压器原副边绕组排布方式与绕组损耗关系的研究仍较少。
本文研究的高频变压器模型均是以LLC变压器为研究对象,其原副边匝比为8∶2∶2。
利用有限元仿真软件分析了不同绕组排布方式对绕组损耗的影响,进而得到了最优的绕组布局。
1 变压器原副边绕组排布方式对绕组损耗的影响1.1 理论计算高频变压器原副边绕组的不同排布方式会影响变压器工作时的最大磁势,一般变压器原副边绕组均采用交错并联的方式,这样可减小磁势最大值和邻近效应,所以绕组损耗和漏电感都会相应减小[2]。
集肤和邻近效应对平面磁性元件绕组损耗影响的分析
集肤和邻近效应对平面磁性元件绕组损耗影响的分析
旷建军;阮新波;任小永;郗焕
【期刊名称】《电源技术学报》
【年(卷),期】2005(003)004
【摘要】提高磁性元件的工作频率,可以减少磁性元件的体积.但是随着工作频率的提高,集肤和邻近效应使绕组的损耗增加.基于磁性元件绕组的一维模型,对平面磁性元件绕组中的涡流效应进行了分析.利用一维条件下,集肤和邻近效应的正交性,得出了集肤和邻近效应各自产生的损耗随绕组厚度和频率的变化趋势.指出简单地把厚绕组分割为薄绕组的并联不能减少绕组的损耗.并分析了利用原副边绕组交叉换位技术减少变压器绕组损耗的原理.通过有限元分析软件和实验证实了分析结果的正确性和有效性.
【总页数】6页(P295-300)
【作者】旷建军;阮新波;任小永;郗焕
【作者单位】南京航空航天大学航空电源重点实验室,江苏,南京,210016;南京航空航天大学航空电源重点实验室,江苏,南京,210016;南京航空航天大学航空电源重点实验室,江苏,南京,210016;南京航空航天大学航空电源重点实验室,江苏,南
京,210016
【正文语种】中文
【中图分类】TM43
【相关文献】
1.绕组损耗分布对油浸式变压器温升的影响分析 [J], 马永强;刘刚;李德波;郑直
2.反激式平面变压器绕组交流损耗的分析 [J], 丁秀华;祝景;龚春英;邓翔
3.不同装机容量水轮发电机阻尼绕组涡流损耗影响因素分析 [J], 孙洋;林文娟;杨作鹏;李兴刚
4.高频平面变压器绕组损耗分析及参数优化设计 [J], 徐祯祥;徐秀华;王令岩;张益齐;赵絮
5.磁障结构对分数槽集中绕组电机涡流损耗的影响分析 [J], 唐光华;钱喆;陈鑫;周建;程义
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
高频llc变换器平面磁集成矩阵变压器的优化设计
Optimal Design of Planar Magnetic Integrated Matrix Transformer for High Frequency LLC Converter
Xiao Long1,2 Wu Liang1 Li Xin1 Zhao Jun1 Chen Guozhu1 (1. College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China 2. School of Electronic and Electrical Engineering Minnan University of Science and Technology
2020 年 2 月 第 35 卷第 4 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.181943
Vol.35 No. 4 Feb. 2020
高频 LLC 变换器平面磁集成 矩阵变压器的优化设计
图5llc变换器变压器磁心中的磁感应强度典型波形fig5typicalwaveformofmagneticfluxdensityinthemagneticcoreofllcconverter根据图5所示磁通密度波形式3可以化简为swmv201sw0mmr21swr021ddd2cos2d2412cos2dtkbbtptttkbbttt??????????????11swrm2102cosdkffb??5式中tsw为开关周期参数和已通过图4给出的损耗曲线拟合得到代入式5并采用数值积分得到1vswrm0814pkffb?6为了减小磁心损耗将谐振频率点变压器磁心损耗密度设置为1000mwcm3根据表1给出的谐振频率和死区时间可以得到工作在谐振频率点处的开关频率fsw135mhz代入式6得到此时的磁感应强度最大值bm71mt
平面型高频电源变压器的设计
平面型高频电源变压器的设计平面型多层绕组高频电源变压器的设计Design of a Hign-Frequency Planar Power Transformer in Multilayer Technology摘要: 提出了一种用多层印刷电路板(ML-PCB)技术制作的高频电源变压器,用于开关电源,工作频率达数MHz。
讨论了实验室原型的结构、电性能、寄生效应和散热性。
主要阐述其漏感,而其他方面的分析则比较简单。
试验结果表明,该变压器具有高的效率、低的漏感、好的散热性和线间绝缘性。
而且,其布局可使设计者在漏感和绕组间电容之间采取折衷。
由于其精确明晰的几何形状,绕组间寄生电容和漏感是可重复的,而且比较容易计算。
一、引言在新一代功率变换器中,小型化已成为一个重要的设计准则[1,2,5,6,11]。
现代的半导体器件可快速开关,而且可用来使开关频率提高到MHz 频段。
因此,电容性和磁性元件的重量和尺寸可得以减小。
然而,这种小型化也引起一些特殊的问题:1 寄生分量给高频截止频率造成了一些限制;1 传统变压器的寄生特性不可重复;1 小型功率器件的有效冷却常成问题。
由于高的开关频率,寄生分量在电路特性中起重要作用。
为了得到好的高频特性,漏感和绕组间寄生电容必须小,这是因为它们都限制器件的高频截止频率[4]。
储存在寄生漏感中的能量可以在易损坏的开关器件的开关过程中产生高电压峰。
这些电压峰会在元件上产生动态功耗和过大的应力。
初级和次级之间良好的(电)感性耦合可达到小的漏感。
事实上,在绕组之间是留有小间隙的。
然而,这却导致了大的绕组间电容,对低漏感和低绕组间电容的要求是互相矛盾的。
因此,变压器的“LC乘积”被用作一个表示这种困境的因数(“figure of trouble”)。
在传统的绕线式变压器中,这些寄生效应和相关的高频特性似乎是不可控制的[7]。
制作过程中的可变因素使绕组几何尺寸产生相当大的公差。
高可重复性与严格规定的绕组几何尺寸紧密相关。
平面变压器中并联绕组的均流设计_旷建军
第25卷第14期中国电机工程学报V ol.25 No.14 Jul. 2005 2005年7月Proceedings of the CSEE ©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号:0258-8013(2005)14-0146-05 中图分类号:TM433 文献标识码:A 学科分类号:470·40 平面变压器中并联绕组的均流设计旷建军,阮新波,任小永(南京航空航天大学航空电源重点实验室,江苏省南京市210016)CONSIDERATION FOR CURRENT SHARING AMONG PARALLEL WINDINGS INPLANAR TRANSFORMERSKUANG Jian-jun, RUAN Xin-bo, REN Xiao-yong(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: In order to enhance the current handling capacity of the windings, it is a very common practice to use parallel windings in low voltage and high current DC/DC converters. Because of high-frequency effects (namely skin effect and proximity effect), the current flowing through those windings may be not equally divided among them, resulting in high ac resistance. Based on symmetrical structure of winding arrangement and voltage balance in parallel windings, a way for winding arrangement is derived, which makes current share in the windings with even number of layers. Finite Element Analysis (FEA) and test prove its correction and effectiveness.KEY WORDS:Planar transformer; Parallel windings; AC resistance; Winding arrangement摘要:在低压大电流DC/DC模块电源中,为了增加绕组的载流能力,经常使用并联绕组。
交错布置对高频变压器绕组损耗的影响
模型进行数值仿 真 , 其结果验证 了模 型绕组结构的合理性和可行性 。
关键词 : 高频 ; 变压器 ; 交错 布置 ; 绕组并联 ; 绕组损耗
中图分 类号 :T M 4 0 6 文献标识码 :A 文章编号 : 1 0 0 2—1 6 6 3 ( 2 0 1 3 ) 0 l一 0 0 6 7一o 5
在设 计 开关 电源 拓扑 的过 程 中 , 必 不 可 少 的 重 要环 节就 是 磁 性 元 件 的优 化 设 计 问题 。现 代 电 力 电子 装 置逐渐 向小 型化 发 展 , 减 小磁 性 元 件 体 积 的
开关电源中平面变压器知识大全
开关电源中平面变压器知识大全
平面变压器发展的必然性
由于涡流效应,在高工作频率和大电流下,磁元件线圈损耗显着增加,这
不仅降低了效率,而且引起温升增大,增加了热设计困难,限制了开关功率变换器功率密度的进一步提高。
因此研究线圈损耗模型、设计技术、开发新型线圈结构以减小其损耗在工业界有迫切的要求,这也是电力电子高频磁技术一个非常重要的研究内容。
国外学术界与工业界对此展开了积极研究,
国内虽对磁集成等高频磁技术展开了一定的研究但对线圈技术的研究则较少。
传统的绕线式磁元件,由于线圈结构单一、散热特性以及参数一致性差等问题,已无法满足开关电源高频化和低截面的发展趋势。
具有低截面的平面磁元件(planar magnetic components)很好克服了传统磁元件的不足,获得广泛应用。
由于平面变压器功率密度高、窗口高度低,而且工作频率与电流越来越高,对线圈结构和设计技术提出更高的要求,尤其是对于高频率和大电流
的应用场合,为了兼顾高频涡流效应和载流面积所采用的并联线圈结构,一
些传统的线圈结构和设计方法不再适用。
在平面变压器中,铜箔/PCB 印刷电路板(printed circuit board)线圈应用广泛。
平面变压器的种类
平面变压器的分类:平面变压器按设计制作工艺的不同,可分为印刷电路(PCB)型,厚膜型、薄膜型、亚微米型4种,今天重点讲述的是PCB型平
面变压器!
1、PCB 型变压器
印刷电路PCB(printed circuit board)型变压器可省去绕组骨架,能增大散。
如何抑制高频变压器中的漏感和温升
如何抑制高频变压器中的漏感和温升来源:半导体器件应用网摘要:平面型变压器技术为高频变压器漏感和温升问题的解决提供了理想的解决方案。
由于平面型变压器对磁芯和绕组进行了优化处理,并采用了模块形式,极大的提高了高频变换器中变压器设计的灵活性,设计难度大大降低。
关键字:高频变压器,平面型变压器,漏感,温升漏感和温升是高频变压器设计中两个非常重要的问题。
漏感过高将使开关管的应力增大,并且对占空比也会产生不良影响。
而过度的温升不但会加剧磁芯损耗,而且将限制开关变换器开关频率的进一步提高。
采用平面型变压器可以有效抑制高频变压器中的漏感和温升。
漏感1漏感及其抑制储存在电感中的能量可以用下式表示:由于电感中的能量不能突变,因此当功率变压器中的电流换向时,将在电感中产生反向感应电势。
储存在漏感中的能量将会引发功率开关管的过度瞬变,这将加重吸收电路的负担。
而开关管和吸收电路上的过度损耗将导致变换器功率下降,并将造成温升的急剧升高。
在某些情况下,还将引发其他问题,比如驱动问题。
电感中电流恢复时间也称为死区时间,死区时间的长短影响到最大占空比。
输出滤波电感中的电流将持续跌落,直到次级绕组电流完全恢复后才能重新建立并实现换向。
如果漏感过大,这一瞬态过程的时间将相对延长。
漏感的大小与漏磁通有关,并与绕组匝数的平方成正比。
提高绕组的耦合程度或减少绕组匝数都可以使漏感下降,其中绕组匝数对漏感大小的影响非常显著。
例如4匝绕组产生的漏感只有6匝绕组的六分之一。
对于传统变压器,由于绕组匝数不可能无限制的减少,因此单纯依靠减少绕组匝数的来降低漏感的方法是不现实的。
虽然增强变压器绕组间的耦合度也可以降低漏感,但又不得不面对绕组间的绝缘问题。
折衷的方法是采用绕组交错绕制的方法,但是这样做将增加绕组间的寄生电容,而且绕组间的绝缘程度也相对下降,因此这也不是一个十分有效的方法。
2平面型变压器的漏感平面型变压器的匝比由初级匝数和组件数量共同决定。
- 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)。
iii
平面变压器绕组高频损耗的研究
图 表 清 单
图 1.1 一种亚微米型平面变压器外型图 .................................................................. 5 图 1.2 将一维线圈等效为铜箔进行一维分析 .......................................................... 6 图 1.3 PAYTON 公司生产的平面变压器 .................................................................. 7 图 2.1 平面变压器典型结构 ...................................................................................... 9 图 2.2 平面 E 型磁芯和 RM 型磁芯 ........................................................................11 图 2.3 平面变压器结构示意图 .................................................................................11 图 3.1 一层铜箔示意图 ............................................................................................ 18 图 3.2 薄铜箔一维情况下集肤效应磁场分布 ........................................................ 19 图 3.3 Ps 随 λ 变化的曲线 ....................................................................................... 21 图 3.4 薄铜箔一维情况下邻近效应磁场分布 ........................................................ 22 图 3.5 Pp 随 λ 变化的曲线 ....................................................................................... 25 图 3.6 薄铜箔一维情况下涡流效应的磁场分布 .................................................... 26 图 3.7 P 随 λ 变化的曲线 ........................................................................................ 28 图 4.1 一层厚绕组 .................................................................................................... 31 图 4.2 两层薄绕组的并联 ........................................................................................ 31 图 4.3 两层薄绕组并联和一层厚绕组 .................................................................... 32 图 4.4 不同绕组布置时在 500KHz 下的单位长度损耗值 ..................................... 33 图 4.5 绕组结构示意图 ............................................................................................ 33 图 4.6 沿 A - B 线绕组各层电流密度分布图 ........................................................ 34 图 4.7 沿 A′ - B′ 线绕组各层电流密度分布图 ....................................................... 34 图 4.8 两层并联绕组闭合回路中各物理量关系 .................................................... 35 图 4.9 不同频率下绕组各层电流密度分布图 ........................................................ 36 图 4.10 不同频率下单位长度的绕组损耗比较 ...................................................... 36 图 4.11 绕组交叉换位结构示意图........................................................................... 37 图 4.12 500KHz 频率下不同绕组结构方式单位长度的绕组损耗 ......................... 37 图 4.13 500kHz 完全交叉和对称交叉布局各层电流密度分布图 ......................... 38 图 4.14 500KHz 下不同绝缘层厚度的电流密度分布图 ......................................... 38 图 4.15 100KHz 下不同绕组层厚度的电流密度分布图 ......................................... 39
南京航空航天大学 硕士学位论文 平面变压器绕组高频损耗的研究 姓名:祝锦 申请学位级别:硕士 专业:电力系统及其自动化 指导教师:龚春英 20080101
南京航空航天大学硕士学位论文摘 Nhomakorabea要
与传统绕线式变压器相比,平面变压器具有相当多的优点,例如低造型、 良好的散热特性、漏感小、可实现特性重现等等,适用于高功率密度高频开关 电源。平面变压器的研究和应用在过去十年得到了快速发展。然而,当开关频 率高达数百 KHz,甚至大于 1MHz 时,平面变压器受到诸如集肤和邻近效应等 高频效应的影响。这些高频效应产生的交流电阻、漏感增大了开关电源的损耗, 降低了开关电源的性能,因此平面变压器的优化设计必须考虑所有高频效应的 影响。 本文从 Maxwell 电磁场方程组出发,在一维情况下对薄铜箔的集肤效应和 邻近效应引起的损耗进行了研究,得出薄铜箔总的涡流损耗是集肤和邻近效应 单独起作用产生损耗的总和。 运用 Ansoft 公司的 Maxwell 2D 电磁场仿真软件对 多层绕组并联在高频时带来的问题进行了研究,说明了简单的绕组并联并不能 减小高频损耗,并且分析了在并联绕组中产生不均流的原因,对影响并联 PCB 线圈中电流分配的重要因素进行了研究。同时对平面变压器原副边绕组利用交 叉换位技术减少高频损耗在不同类型变压器中的运用进行了深入研究,详细说 明了在不同类型变压器中如何具体运用交叉换位技术来减小绕组的高频损耗。 随后在考虑高频开关电流及其谐波的情况下对不同的交叉换位方案进行了分 析,提出了绕组交叉换位设计必须考虑全部电流分量,不能只针对某一频率设 计。最后分析了绕组边缘效应对高频损耗和漏感的影响。 本文最后详细阐述了基于反激变换器的平面变压器的设计过程。根据前面 的理论分析,设计制作了三种不同绕组布局的平面变压器,并和普通绕线式变 压器进行了实验对比,实验结果表明原副边绕组交叉换位布局的平面变压器性 能优良,显著的提高了变换器的效率。 关键词:平面变压器,PCB,集肤效应,邻近效应,交叉换位, Maxwell
i
平面变压器绕组高频损耗的研究
ABSTRACT
Compared to the conventional wire wound transformer, planar transformer offers many advantages, such as low profile, good thermal characteristic, small leakage inductance and well repeatability, so it is a good solution for high power density and high frequency switch mode power supplises (SMPS).Its research and application are growing in the last decade. However, due to the high switching frequency up to several hundreds kHz, even more than 1MHz, planar transformer is also affected by many high-frequency effects like skin and proximity effects. These high-frequency effects produce ac resistance and leakage inductance that increase the losses of the SMPS, and the performance of the SMPS is reduced significantly. Hence an optimal design of planar transformer should be take into account the high frequency effects. This paper started from Maxwell field equations, thin copper foil the losses caused by skin and proximity effect were studied in the case of one-dimensional. To study the problems of parallel winding layers for high-frequency planar transformer, the Ansoft Maxwell 2D electromagnetic field simulation software was used.The results showed that a simple parallel winding layers arrangement can not reduce the high-frequency losses. Factors affecting the current distribution for parallel winding layers were identified, and the general rules for reducing the unbalance of current distribution among parallel winding layers were presented. At the same time, former vice-planar transformer windings useing interleaving techniques to reduce high-frequency losses in different types of transformers was deeply studied and how to reduced high-frequency losses by interleaving techniques in different types of transformers was analyzed.Then the different interleaving schemes in the condition of high-frequency switching mode were discussed. All the current components including harmonics should be take into account in the interleaving schemes, it’s insufficient that only a certain frequency is concidered.Finally fringing effect on high-frequency losses and leakage inductance was analyzed. At last the design process of a flyback converter based on planar transformer is expatiated in detail. According to previous theoretical analysis, three different