大功率平面变压器的设计与仿真优化.docVIP

大功率平面变压器的设计与仿真优化 　　摘 要： 针对大功率开关电源中传统变压器的体积大、效率低等问题，提出用平面变压器代替传统变压器的方法。基于LC串联谐振拓扑电路设计一个大功率平面变压器，介绍了平面变压器的磁芯和绕组的设计过程，建立平面变压器的三维模型，并通过有限元软件Ansoft Maxwell在三维涡流场中对平面变压器的绕组损耗和漏感进行仿真，利用仿真结果实现平面变压器的优化设计。最后基于该文参数介绍了将LC谐振电路中的谐振电感集成到平面变压器的过程。 　　关键词： 串联谐振； 大功率平面变压器； 有限元仿真； 电感集成 　　中图分类号： TN98?34； TM43 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0167?04 　　变压器作为开关电源中的重要磁性元件对电源的体积、重量、损耗有重要的影响。随着电源向小型化和高效化的方向发展，传统变压器的体积和效率都成为了变压器优化的重点。近几年变压器发展迅速，尤其是平面变压器的提出使得电力电子产品中的变压器性能得到大幅度的提升[1]。平面变压器因为其特殊的平面结构和绕组的紧密耦合， 使高频寄生参数大大降低， 极大地改进了开关电源的工作表现。文献[2?4]都对平面变压器进行了相应的研究，但目前平面变压器多用于高频的小功率或者低压大电流场合，在高压大功率场合平面变压器的研究和应用并不广泛，这主要是受到材料和工艺方面的限制。不过随着材料和工艺上的进步，高压大功率平面变压器将越来越受到重视。本文将重点介绍基于高压充电电源中的大功率平面变压器的设计并利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell 3D对其进行仿真优化。 　　1 设计参数 　　本文研究的是一台应用于串联谐振充电电源的升压变压器，串联谐振充电电源具有恒流充电、体积小、效率高、功率密度大、适合宽范围变化的负载等优点，是较为理想的电容充电电源[5]，应用广泛。电路拓扑是全桥LC串联谐振电路，如图1所示。 　　谐振频率为120 kHz，变压器匝比为1∶3.5，初级输入电压为330 V，次级输出1 kV/20 kW，因此次级输出电流为20 A，初级输入电流为70 A。 　　2 模型设计 　　平面变压器的设计可采用估算法和设计程序的方法[6]。前者对变压器设计者的经验要求较高，设计出的产品也无法保证是最佳产品，但设计过程较为灵活，可以兼顾产品的工程实现过程；后者使平面变压器的设计变的简单，设计的产品精度也较高，但是无法兼顾变压器的工程实现。平面变压器的一致性使得平面变压器的设计较为偏向后者，但是多集中于低压小功率产品，在工程实现上的要求不高，因此本文依然采用估算和试探的方法。 　　2.1 磁芯的设计 　　磁芯设计分为两个方面，即磁芯材料的选择和磁芯形状的设计。在开关电源中，应用最多的材料是软磁铁氧体。主要有两类：镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。镍锌铁氧体具有更高的电阻率，因此它适合于工作在1 MHz以上的场合；而锰锌铁氧体电阻率较低，通常工作在1 MHz以下，但具有较高的磁导率（μi）和较高的饱和磁通密度（Bs）。本文选择美磁公司的锰锌铁氧体材料T材作为磁芯材料，T材具有较高的饱和磁通密度（0.53 T）和较低的损耗密度且其损耗密度随温度的变化不大。 　　平面变压器磁芯型号的选取依然可以采用[Ap]法，通过公式： 　　[Ae=Ui×104KfBNf] （1） 　　[Ap=Ae?Aw] （2） 　　[Ap=UiIi×104KfKuBfJ] （3） 　　式中：[Ap]是磁芯截面积[Ae]和磁芯窗口面积[Aw]的乘积；N为绕组匝数；[Ui]为变压器输入电压；[Ii]是输入电流；[Kf]是波形系数；[Ku]是窗口利用系数；B是磁通密度；f为工作频率；J为电流密度。在传统变压器中，窗口利用系数一般选择0.4，设计平面变压器和采用PCB绕制绕组的方法进一步减小了窗口利用系数[7]，因为在平面变压器中PCB绕组中PCB板厚度远大于绕组的厚度，但是随着PCB板覆铜技术的发展，PCB板覆铜厚度有了较大的提升，在特殊板中绕组厚度可以设计到10 OZ以上并且板子厚度不变，这种情况下板子厚度与绕组厚度相差不大，所以在选择窗口利用系数时要根据实际情况选择合适的[Ku]值。根据计算结果可选择美磁公司EE型磁芯E102，其磁芯截面积为525 mm2，磁芯窗口宽度为36 mm，高为26.6 mm。 　　2.2 绕组设计 　　绕组匝数可根据伏秒数公式来计算，其表达式为： 　　[Np=Ui×104KfBAef] （4） 　　式中，B为磁感应增量，在开关电源中一般选择为饱和磁通的[12]或者[23。]根据参数计算初级绕组匝数[Np]可在12～20匝绕组之间选择。 　　平面变压器绕组选择的是PCB板覆铜结构，