一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，涉及变换器技术领域，首先利用有限元仿真软件得到各匝绕组的阻抗，而后利用编程对绕组进行排布，利用绕组串联对各并联绕组的阻抗进行匹配，使得并联绕组电流尽可能均分，以降低绕组损耗，将仿真工具与理论计算相结合，能够快速准确的寻找到电感绕组的最佳排布方式，相比于基于理论损耗模型求解方法，可避免复杂的理论求解过程，且精度较高；相比于单纯基于有限元仿真软件求解方法，可以节约大量的仿真时间。约大量的仿真时间。约大量的仿真时间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法


[0001]本专利技术涉及变换器
，特别是涉及一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法。

技术介绍

[0002]随着电力电子的不断发展，磁性元件作为开关电源设计中的关键器件，对系统的效率和功率密度有着重要的影响，开关电源中的磁性元件主要包含电感和变压器两类，电感的绕组结构有串联、并联以及串并联三种类型。
[0003]对于串联结构绕组，虽然每匝绕组的阻抗存在差异，但由于绕组采用串联结构，每匝绕组流过的电流自然相等。
[0004]并联结构绕组通常应用在某些大电流的应用场合，此时若采用单匝绕组，其在流经大电流时，绕组损耗会造成绕组急剧发热，存在损坏风险，为了提高绕组的载流能力，可以采用多匝绕组并联，但值得注意的是，并联绕组之间的均流会受到集肤效应、临近效应、气隙的分布位置以及绕组的分布位置等诸多因素的影响，且多种因素之间的影响存在相互耦合，特别是当并联的匝数较多时，并联绕组的均流问题将非常复杂，这给并联绕组的设计带来极大的困难。
[0005]当并联绕组设计不合理时，绕组间将严重不均流，绕组间的不均流现象将导致绕组损耗显著增加，这不仅降低了效率，而且还引起温升的增大，增加了热设计的困难程度，限制了开关电源功率密度的进一步提升，在极端情况下，甚至会产生某些并联绕组电流反向的现象，造成多匝并联的绕组损耗甚至大于单匝绕组损耗。
[0006]对于串并联结构绕组，绕组之间存在串联，也存在并联连接，对于并联连接的绕组，同样需要合理设计，以保证并联绕组尽可能的均流，此外，绕组的连接方式可先并联后串联，也可先串联后并联，不同连接方式下，绕组间的电流分布差异巨大，对绕组损耗有着非常大的影响。
[0007]为了优化电感绕组的排布方式，可以通过理论计算绕组的损耗，以绕组损耗最低去选择绕组的排布方式，但是，绕组损耗不仅包含直流损耗，还包含交流损耗，而影响绕组交流损耗的交流电阻会受到集肤效应和临近效应等因素的影响，计算非常的复杂，目前通常借助Dowell模型，而此模型在应用上存在诸多限制，且准确性有限；此外，还可以通过有限元仿真软件进行仿真获取，此种方式获得的绕组损耗较为准确，但为了获取最优的绕组损耗，需对每一种绕组排布方式进行仿真，但随着绕组数量的增加，绕组排布方式的数量急剧增加，对如此多的绕组排布方式进行仿真，将耗费大量的时间。

技术实现思路

[0008]为了解决以上技术问题，本专利技术提供一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，包括以下步骤
[0009]S1、在有限元仿真软件中搭建电感模型；
[0010]S2、对电感电流进行傅里叶分解，当电感电流为正弦波时，则省略此步骤；
[0011]S3、给所有绕组分别注入直流、开关频率次及其倍数次激励，得到各个频率点的绕组阻抗矩阵；
[0012]S4、对绕组的排布方式进行初步筛选；
[0013]S5、对初步筛选的绕组排布方式，列写端口电压以及电流约束条件，求解每匝绕组流过的电流；
[0014]S6、对步骤S5中计算所得的结果进行筛选，选择绕组电流的均流程度最高的排布方式，作为最优的绕组排布方式。
[0015]本专利技术进一步限定的技术方案是：
[0016]进一步的，步骤S2中，对电感电流进行傅里叶分解，如式(1)所示，
[0017]i
L
＝i
L
(DC)+i
L
(f
s
)+
…
i
L
(m
·
f
s
)
ꢀꢀ
(1)
[0018]其中，i
L
表示电感电流，i
L
(DC)表示电感电流直流分量，i
L
(m
·
f
s
)表示电感电流m次谐波分量，f
s
表示开关频率，m表示谐波次数。
[0019]前所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，步骤S2中，谐波次数m设置为1。
[0020]前所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，步骤S3中，绕组设为n
·
i个，各个频率点的绕组阻抗矩阵为Z(DC)，Z(f
s
)...Z(m
·
f
s
)，其中Z(DC)表示直流处的阻抗矩阵，Z(m
·
f
s
)表示m次谐波频率处的阻抗矩阵，f
s
表示开关频率，m表示谐波次数。
[0021]前所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，步骤S3中，绕组为n
·
i个，阻抗矩阵设为n
·
i行，n
·
i列，如式(2)所示，
[0022][0023]其中，阻抗矩阵中的元素实部表示阻性分量，虚部表示感性分量。
[0024]前所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，步骤S4中，绕组设为n
·
i个，共分为i个支路，每支路中有n个绕组串联，分别记为W
x1
...W
xn
，流过的电流为I
x
，x＝1～i，对绕组的排布方式进行初步筛选的方法，包括以下步骤
[0025]S4.1、假设所有绕组电流均分，流过的电流为I，即I1＝I2＝...＝I
i
＝I，阻抗矩阵设为n
·
i行，n
·
i列，结合阻抗矩阵，求得各匝绕组所承受的电压，具体为：
[0026][0027]其中，U
x1
...U
xn
(x＝1～i)为对应的绕组W
x1
...W
xn
(x＝1～i)所承受的电压，
[0028]对式(3)进行简化，可得
[0029][0030]S4.2、将每组n匝绕组的电压相加，即为n匝串联后的总电压，将各串联支路的总电压定义为：U1,U2,...U
i
；
[0031]若U1～U
i
完全相同，则在此排布方式下，各匝绕组的电流将完全相同；
[0032]若U1～U
i
不完全相同，则在此排布方式下，各匝绕组之间会出现电流不等的情况，且U1～U
i
相差越大，电流不均分的现象越为严重；
[0033]所以引入方差的概念，去衡量U1～U
i
之间的差异，并作为绕组排布方式初步筛选的依据，具体的表达式如下
[0034][0035]其中，为U1～U
i
的平均值，计算所有绕组排布方式的方差S2，并筛选出方差最小的若干种绕组排布方式，接着进入步骤S5。
[0036]前所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，步骤S4中，当绕组的排布方式低于15个时，省略整个步骤S4。
[0037]前所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，其特征在于：包括以下步骤S1、在有限元仿真软件中搭建电感模型；S2、对电感电流进行傅里叶分解，当电感电流为正弦波时，则省略此步骤；S3、给所有绕组分别注入直流、开关频率次及其倍数次激励，得到各个频率点的绕组阻抗矩阵；S4、对绕组的排布方式进行初步筛选；S5、对初步筛选的绕组排布方式，列写端口电压以及电流约束条件，求解每匝绕组流过的电流；S6、对步骤S5中计算所得的结果进行筛选，选择绕组电流的均流程度最高的排布方式，作为最优的绕组排布方式。2.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，对电感电流进行傅里叶分解，如式(1)所示，i
L
＝i
L
(DC)+i
L
(f
s
)+
…
i
L
(m
·
f
s
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，i
L
表示电感电流，i
L
(DC)表示电感电流直流分量，i
L
(m
·
f
s
)表示电感电流m次谐波分量，f
s
表示开关频率，m表示谐波次数。3.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，谐波次数m设置为1。4.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，其特征在于：所述步骤S3中，绕组设为n
·
i个，各个频率点的绕组阻抗矩阵为Z(DC)，Z(f
s
)...Z(m
·
f
s
)，其中Z(DC)表示直流处的阻抗矩阵，Z(m
·
f
s
)表示m次谐波频率处的阻抗矩阵，f
s
表示开关频率，m表示谐波次数。5.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，其特征在于：所述步骤S3中，绕组为n
·
i个，阻抗矩阵设为n
·
i行，n
·
i列，如式(2)所示，其中，阻抗矩阵中的元素实部表示阻性分量，虚部表示感性分量。6.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真软件的电感绕组优化方法，其特征在于：所述步骤S4中，绕组设为n
·
i个，共分为i个支路，每支路中有n个绕组串联，分别记为W
x1
...W
xn
，流过的电流为I
x
，x＝1～i，对绕组的排布方式进行初步筛选的方法，包括以下步骤S4.1、假设所有绕组电流均分，流过的电流为I，即I1＝I2＝...＝I
i
＝I，阻抗矩阵设为
n<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王廷营，王亚洲，李伟鹏，仲羿诚，刘文煜，朱运，唐海瑞，桂凯瑞，宋亚龙，孟杰，周刚，祝青，
申请(专利权)人：连云港杰瑞电子有限公司，
类型：发明
国别省市：