本发明专利技术公开了一种基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器及最优铜厚设计方法，其包含两种以上不同铜箔厚度的绕组，通过对单层铜箔中厚度对于铜箔损耗以及平面电感之中磁场分布的分析，发现在靠近气隙即磁场强度大处选用薄铜箔可有效减小交流电阻，在远离气隙即磁场强度小处选用厚铜箔可在交流电阻略微增加甚至减小的基础上有效减小直流电阻；同时考虑到由气隙所引起的扩散磁通损耗，可通过减小电感绕组绝缘层间距，使绕组尽量远离气隙；给出平面电感在不同工作条件下每层绕组关于铜厚的损耗计算公式，得出平面电感每一层绕组所对应的最优铜厚。本发明专利技术通过对绕组进行混合铜厚设计可同时减小直流电阻与交流电阻，有效减小绕组损耗，提升变换器的效率。提升变换器的效率。提升变换器的效率。
【技术实现步骤摘要】
基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器及最优铜厚设计方法
[0001]本专利技术涉及功率变换器电感器结构领域，尤其涉及一种基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器及最优铜厚设计方法。
技术介绍
[0002]随着电力电子技术高效率、高频化、平面化、集成化以及高功率密度的发展方向，要求应用于开关电源中的磁元件也具有高频化、集成化、低损耗和高功率密度的发展趋势，因此平面磁性元件的应用大幅增加。相比于传统磁性元件，平面磁性元件具有功率密度高、散热性能好、工作频率高、效率高以及一致性好等优点。平面磁性元件的发展也必然成为以后高性能开关电源发展的核心，其应用可以促进开关电源的高频化发展，降低其中磁性元件的体积重量，提高整个变换器的功率密度，但是工作频率的提升会导致高频下的涡流效应更加明显，损耗不断上升，温升大幅增加，限制了开关频率的进一步提升。因此为了提高变换器的效率与功率密度，需要进行平面磁性元件绕组的损耗优化。
[0003]电感器是功率变换器的的重要组成部分；作为变换器中的磁性元件，其承担着储能、滤波等作用。在电感器设计过程中，传统的设计方法是通过整体绕组选择同一厚度得到其绕组损耗最优的情况，在匝数与层数较少的情况下，绕组选择同一厚度与绕组选择不同厚度所产生的损耗误差可以忽略不计，但是在电感绕组匝数与层数较多时，不同层数的绕组所处的磁场强度是不同的，尤其是最靠近气隙处绕组磁场强度会远大于最远离磁场处绕组，此时绕组依然选择同一厚度会产生较大损耗，因此有必要对匝数较多的平面电感器进行绕组优化设计。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器及最优铜厚设计方法。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器，包含两种以上不同铜箔厚度的绕组：
[0006]根据距离气隙的远近，靠近气隙的铜箔厚度小于等于远离气隙的铜箔厚度；
[0007]所述的不同铜箔厚度绕组串联共同构成平面型电感器绕组。
[0008]第二方面，本专利技术提供一种平面型电感器的最优铜厚设计方法，包括：
[0009]将每一层铜箔的直流电阻与交流电阻的计算公式代入单层铜箔的损耗中，得出一个单层铜箔总损耗关于电感电流中交流分量与直流分量的比值即纹波系数以及平面电感工作频率，环形绕组内外环半径参数的计算公式，由此得到不同工作条件下的平面电感每层绕组所对应的最优铜厚。
[0010]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0011](1)本专利技术能够有效降低电感绕组的交流电阻与直流电阻，有效减小损耗。
[0012](2)本专利技术能够在不同工作条件下灵活设计出每层绕组所对应铜厚，使平面电感
绕组在其工作条件下总损耗最优。
[0013](3)当平面电感层数超过变换器所用PCB层数时，可灵活改变变换器PCB所用铜箔厚度，改善其散热条件以及改变变压器绕组铜箔厚度。
附图说明
[0014]图1是本专利技术单层铜箔示意图。
[0015]图2是本专利技术单层铜箔集肤损耗与邻近损耗随v变化曲线。
[0016]图3是本专利技术实施例中平面电感磁通分布示意图。
[0017]图4是本专利技术实施例中平面电感绕组磁动势分布示意图。
[0018]图5是本专利技术实施例中平面电感磁芯窗口中磁场强度有限元仿真结果。。
[0019]图6是本专利技术实施例中平面电感绕组磁场强度有限元仿真结果。
[0020]图7是本专利技术实施例中所设计的九种不同绕组方案的示意图。
[0021]图8是本专利技术实施例中平面电感绕组PCB结构图。
[0022]图9是本专利技术实施例中基于混合铜厚绕组设计的平面电感ANSYS 3D实体模型。
[0023]图10是本专利技术实施例中所设计不同方案所对应交流电阻的仿真值与实测值结果。
[0024]图11是本专利技术实施例中所设计不同方案所对应直流电阻的仿真值与实测值结果。
[0025]图12是本专利技术实施例中绕组远离气隙时的平面电感ANSYS 3D实体模型。
[0026]图13是本专利技术实施例中所设计不同方案绕组远离气隙时所对应交流电阻的理论值与仿真值结果。
[0027]图14是本专利技术实施例中所设计不同方案绕组远离气隙时所对应直流电阻的理论值与仿真值结果。
[0028]图15是本专利技术实施例中纹波系数r为1.0，工作频率f
s
为500kHz时每层铜箔所对应最优铜厚。
[0029]图16是本专利技术实施例中纹波系数r为1.0，工作频率f
s
为250kHz时每层铜箔所对应最优铜厚。
[0030]图17是本专利技术实施例中纹波系数r为0.5，工作频率f
s
为500kHz时每层铜箔所对应最优铜厚。
[0031]图18是本专利技术实施例中纹波系数r为0.5，工作频率f
s
为250kHz时每层铜箔所对应最优铜厚。
具体实施方式
[0032]本专利技术提供一种基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器，其包含两种以上不同铜箔厚度的绕组：
[0033]随着绕组层数的增加，越靠近气隙的铜箔上的磁场强度逐渐增大，在远离气隙即磁场强度小处选用厚铜箔，在靠近气隙即磁场强度大处选用薄铜箔；
[0034]所述的不同铜箔厚度绕组串联共同构成平面型电感器绕组。
[0035]进一步的，在忽略由于气隙所引起的扩散磁通对绕组损耗的基础上，给出了平面电感每一层绕组所对应的最优铜厚的设计方法。
[0036]基于对单层铜箔绕组的损耗分析，通过将每一层铜箔的直流电阻与交流电阻的计
算公式代入单层铜箔的损耗中，可得出一个单层铜箔总损耗关于电感电流中交流分量与直流分量的比值即纹波系数以及平面电感工作频率，环形绕组内外环半径参数的计算公式，由此设计出不同工作条件下的平面电感每层绕组所对应的最优铜厚。
[0037]进一步的，平面电感的最优铜厚设计方法可使相邻两层以上铜箔选择同一厚度得到该部分绕组的最优铜厚，综合考虑平面电感的成本与损耗。
[0038]进一步的，其磁芯采用平面磁芯。
[0039]进一步的，其气隙设于磁芯拐角处。
[0040]下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0041](一)基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器工作原理
[0042](1)单层铜箔损耗分析
[0043]图1给出了基于Dowell一维方法等效后的单层绕组模型，假设绕组宽度w远大于绕组厚度h，此时可认为在绕组上下表面的磁场方向均与绕组表面平行。对于单层铜箔的单位长度损耗P分析结果如式(1)所示：
[0044][0045]其中J
z
(x)为电感绕组的电流密度,分别代表铜箔表面的磁场强度，γ为铜电导率，其值为5.8
×
107S/m。v代表铜箔厚度h与对应开关频率f
s...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器，其特征在于，其包含两种以上不同铜箔厚度的绕组：根据距离气隙的远近，靠近气隙的铜箔厚度小于等于远离气隙的铜箔厚度；所述的不同铜箔厚度绕组串联共同构成平面型电感器绕组。2.根据权利要求1所述的基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器，其特征在于，相邻两层以上铜箔选择同一厚度。3.根据权利要求1所述的基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器，其特征在于，平面型电感器的磁芯采用平面磁芯。4.根据权利要求1或3所述的基于混合铜厚绕组结构的平面型电感器，其特征在于，所述气隙设于磁芯拐角处。5.一种基于权利要求1所述平面型电感器的最优铜厚设计方法，其特征在于，将每一层铜箔的直流电阻与交流电阻的计算公式代入单层铜箔的损耗中，得出一个单层铜箔总损耗关于电感电流中交流分量与直流分量的比值即纹波系数以及平面电感工作频率，环形绕组内外环半径参数的计算公式，由此得到不同工作条件下的平面电感每层绕组所对应的最优铜厚。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，单层铜箔的单位长度损耗P分析结果如式(1)所示：其中w为绕组宽度，h为绕组厚度，γ为铜电导率，J
z
(x)为电感绕组的电流密度, 分别代表铜箔表面的磁场强度，γ为铜电导率，v代表铜箔厚度h与对应开关频率f
s
之下集肤深度Δ的比值，μ0为铜的磁导率；由于一维条件下集肤损耗P
s
与邻近损耗P
p
具有正交性，单层铜箔损耗分为式(2)和式(3)的和：具有正交性，单层铜箔损耗分为式(2)和式(3)的和：7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由安培环路定理得到平面电感每一层绕组上下表面的磁场强度如式(4)和式(5)所示：上下表面的磁场...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚凯，甘彬，邵蕃光，任璐军，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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