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

李成

东莞市大忠电子有限公司 广东东莞 523000

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。平面变压器的温升要求是指磁芯的温升要求，其与绕组的温升通常要保持平衡，一般情况下，不超过120℃的磁芯工作温度符合高压大功率平面变压器正常运转要求。而要想求出磁芯损耗和工作磁通，就要参照热模型以及磁芯最佳温升要求，利用公式（1）P=afcBdV×10-3来获得，最终结果显示磁芯损耗达到54W左右、工作磁通为0.2T。在该公式中，f代表工作频率，用单位kHz进行表示；B代表工作磁通大小，用单位KGs表示；a\c\d代表磁芯材料参数、V代表磁芯体积。在优化设计过程中，可以将新的工作磁通带入到绕组计算公式(2)

中，进而求出绕组匝数，看其是否增加，以免给大功率平面变压器的整体设计造成影响，并且设计过程中还要按照最大工作磁通来计算，确保其整体设计优化效果[1]。

图一 平面变压器热仿真模型

2.高压大功率平面电感器的仿真计算与优化设计分析

图二 平面电感器仿真模型

如图二所示，平面电感器仿真模型的建立以及磁芯损耗的计算方法等都与平面变压器基本一致，都可通过公式（1）来进行计算，并且从仿真结果来看，当绕组匝数为4时，仅一匝绕组的损耗量就已十分明显，因此可将绕组匝数设定为3匝，以便使其绕组损耗和磁芯损耗等都能得到有效降低。在对平面电感器进行优化设计时，可以从以下两个方面入手：首先，平面电感器的集肤效应和临近效应的降低，从绕组形式来看，平面电感器与平面变压器一样，都是以铜箔式绕组为主，虽然这种绕组的运用能够有效避免集肤效应和临近效应的产生，但由于各绕组的电流方向基本一致，所以要想通过交叉绕组的方式来降低绕组中磁动势的发生概率，其难度也是可想而知，同时还会引发较大涡流损耗现象的发生。因此，为了改善现状，就要先通过热仿真模型对电感器的温升进行合理确定。但由于电感器的损耗无法精确计算，因此需要在设计完成以后通过优化措施降低绕组的损耗，从而降低电感器的温升，然后通过热仿真软件对平面电感器进行热仿真，观察温升大小。 通过仿真结果，可以得知磁芯和绕组的最大工作温度分别为68.6℃、69.6℃，两者温差较小。这充分证明采用氧化铝作为电感器基板材料性能更好。但是氧化铝价格相对较贵，采用FR-4基板电感器单板费用在100元以内，而采用氧化铝基板单板费用要达到200元左右，因此在基板材料的选择上要进行综合分析。

其次，减少扩散磁通对绕组的影响，通常，平面电感器的磁芯都是由锰锌铁氧体材料制作而成，同时还要在磁芯中开气隙，但在开气隙过程中，电感器却常常会在气隙处产生大量的扩散磁通，并对气隙附近的绕组造成较大的影响，进而使得绕组中的电流逐步向绕组两端扩散，从而导致绕组产生较大的损耗。鉴于此，为了改善现状，就要通过以下几种方式来减小扩散磁通对绕组损耗的影响：第一，对电感器开气隙结构进行适当改变，进而通过减小扩散磁通的大小来进一步降低扩散磁通对绕组的影响；第二，采取超薄的低磁导率材料来填充开气隙和绕组之间的距离，以便为大部分扩散磁通的流通创造良好条件，从而使其不会在绕组区域中聚集，减小扩散磁通对绕组损耗的影响；第三，由于平面电感器的输入电流较大，而磁芯窗口利用率较低，那么则要对开气隙结构进行适当调整，并根据实际情况合理添加辅助磁路，具体应按照图三新型气隙电感模型，从以下几个方面入手进行优化：①要将大气隙改变成几个小气隙，以便使其大气隙的分布式气隙方式得到有效改善；②在将大气隙改变成几个小气隙过程中，应着重对位于磁芯中边柱的气隙方式进行转变，进而使其形成高低不同的交错式气隙方式；③要采用单气隙方式和横向准分布气隙方式在绕组和气隙之间添加低磁导率薄膜材料，其中，前者气隙方式是指在不改变气隙大小的基础上，并根据扩散磁通与边缘磁通的实际位置，对气隙开口位置进行适当调整，尽可能使其位于边柱位置上，最大化提高扩散磁通的Z轴分量的利用率，进而有效控制边缘磁通对绕组造成一定的损耗影响。相对而言，后者气隙方式是指通过对大气隙的合理划分来减小扩散磁通的影响范围，具体而言，即将大气隙分割成几个2mm厚的小气隙，同时气隙之间的磁芯厚度也要进行严格把控，使其不超过9mm

[2]。通过上述两种气隙方式效果的对比分析，可以得知，单气隙方式平面电感器的绕组损耗要低于横向准分布气隙方式，究其原因，主要是因为单气隙方式中有着较大的横向扩散磁通，可以抵消大部分边缘磁通所致，因此，在对平面电感器的设计进行优化时，就要在电感器上下边柱的中间位置开一个气隙，最大化降低电感器的绕组损耗量。

图三 新型分布气隙电感模型

结束语：

综上所述，为了充分满足开关电源设备的小型化和高效化发展需求，关键任务就是要对电源设备中变压器和电感器的结构设计进行适当调整，并提高其工作性能，这种趋势下，平面变压器开始走进大众视野，并且在当前高压大功率开关电源领域中的应用范围也是十分宽泛，因此，为了使其更好地提高高压大功率电源设备的性能，就要对高压大功率平面变压器和电感器的设计进行全面优化。

参考文献

[1]魏彪,高立松.一种全桥电路磁集成型平面变压器电感器[J].电工技术学报,2017,(07):108-109.

[2]陈康华,塞义德·艾哈迈德.功率转换器中平面变压器和平面电感器与功率开关的集成[J].辽宁工程技术大学学报,2018,(04):25-26.