一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，包含基于传统单层铜箔绕组的损耗分析，在每层多匝绕组情况下引入铜层系数

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法


[0001]本专利技术涉及功率变换器平面变压器与平面电感器结构领域，尤其涉及一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法
。

技术介绍

[0002]反激变换器是一种广泛应用于低功率和中等功率电源系统的开关电源拓扑
。
在这种拓扑结构中，变压器起到了能量传输和电压转换的作用
。
平面变压器是一种较为特殊的变压器类型，具有体积小
、
重量轻
、
磁通密度高等优点，在反激变换器中得到了广泛应用
。
随着变换器工作频率的提升，平面磁性元件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
。
基于一维
Dowell
模型对绕组损耗分析得到广泛应用，然而在许多常用的拓扑结构中，这种方法并不直接适用，因为在反激变换器中并非所有绕组都同时承载电流
。
此外，当反激变换器工作在
DCM
模式下时导体内产生涡流场并不总是具有与在任何单个绕组中循环的净电流完全相同的频率分量
。
此外，其他绕组，例如静电屏蔽，不承载负载电流，但仍表现出由负载电流引起的涡流损耗
。
因此有必要对反激平面变压器绕组损耗进行详细分析
。
在平面变压器设计过程中，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，但是在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，在磁场强度差异较大处的绕组，依然选择同一厚度绕组损耗差异也较大，因此有必要对匝数和层数较多的平面变压器进行绕组优化设计
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是在于提供一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，使变压器绕组损耗降低
。
[0004]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0005]一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，包括：对反激平面变压器绕组进行了每层多匝设计，采用绕组非交错设计减小绕组交流电阻；针对传统每层单匝绕组损耗计算公式，引入修正系数，推导出每层多匝绕组损耗计算公式；基于反激平面变压器之中磁场分布的分析，结合推导出的每层多匝绕组损耗计算公式，得出处于不同磁场强度下的绕组存在最优铜箔厚度
(
简称为铜厚
)
，磁场强度较大处的绕组选用薄铜箔可在直流电阻略微增加基础上有效减小交流电阻，处于磁场强度小处的绕组选用厚铜箔可有效减小直流电阻与交流电阻，所述的不同铜箔厚度绕组共同构成反激平面变压器绕组
。
[0006]进一步的，所述反激平面变压器绕组采用
PCB
绕组，磁芯采用
ELT
平面磁芯，气隙设于磁芯中柱和两个边柱拐角处
。
[0007]进一步的，所述反激平面变压器为了在有限
PCB
层数下实现高变比，变压器原边匝数多于副边匝数，平面
PCB
绕组进行了每层多匝设计，将绕组结构设置为非完全交错的形式，其交流电阻相较于完全交错绕组的交流电阻更小
。
[0008]进一步的，基于对传统单层铜箔绕组的交流损耗分析，在每层多匝绕组情况下引用铜层系数
η
，对每层单匝绕组的交流损耗分析模型进行修正，得到每层多匝绕组交流损耗公式
。
[0009]进一步的，所述每层单匝绕组的交流损耗
P
ac
的表达式为：
[0010][0011]其中
w
为绕组宽度，
h
为铜箔厚度，
J
z
(x)
为电感绕组的电流密度
,H1，
H2分别代表铜箔表面的磁场强度，
σ
为铜的电导率，
v
代表铜箔厚度
h
与集肤深度
δ
的比值，集肤深度
δ
的表达式为：
[0012][0013]其中
μ0为铜的磁导率，
f
s
为开关频率
。
[0014]进一步的，所述每层多匝绕组损耗公式由以下分析得到：平面变压器设计中，绕组与绕组
、
绕组与磁芯之间都存在安全距离，第
k
层绕组总宽度与磁芯窗口的比值为
η
k
，其定义如下所示：
[0015][0016]其中
n
k
是第
k
层绕组多含有的匝数，
w
k
是第
k
层绕组每匝绕组的宽度，
w
c
是磁芯窗口宽度，
s1是层中每匝绕组之间的线间距，
s
c
是绕组和磁芯之间的间距，每层多匝绕组情况下的归一化集肤深度为
δ
′
，其定义如下所示：
[0017][0018]第
k
层的总绕组宽度小于磁芯窗口宽度，则对于该层中，
n
k
匝宽度为
w
k
、
电导率为
σ
的绕组与
n
k
匝宽度为
w
k
/
η
k
，电导率为
η
k
σ
的绕组具有相同的直流电阻
R
dc
，基于式
(1)、
式
(2)、
式
(3)
和式
(4)
得到修正的每层多匝绕组的单位长度绕组交流损耗分析结果如下所示：
[0019][0020]其中
H
k
‑1，
H
k
分别代表第
k
层绕组上下表面的磁场强度，
v
k
′
代表铜箔厚度
h
与对应开关频率
f
s
之下归一化集肤深度
δ
′
的比值；所述每层多匝绕组的单位长度绕组交流损耗可分为集肤损耗与邻近损耗，由于两种损耗具有正交性，因此每层第
k
层绕组的总交流绕组损耗可分为下面两式的和：
[0021][0022]其中
l
为每层绕组的平均长度，
P
s,k
为第
k
层绕组的集肤损耗，
P
p,k
为第
k
层绕组的临近损耗
。
[0023]进一步的，对于所述第
k
层绕组的总交流绕组损耗分析，只考虑旁路磁通的影响，由安培环路定理得到第
k
层绕组本文档来自技高网...

【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反激平面变压器设计方法，其特征在于，包括：对反激平面变压器的绕组进行了每层多匝设计，引入铜层系数
η
，推导出每层多匝绕组损耗计算公式；对反激平面变压器中磁场分布进行分析，结合推导出的每层多匝绕组损耗计算公式，得出处于不同磁场强度下的绕组存在最优铜厚，不同铜箔厚度的绕组共同构成反激平面变压器绕组
。2.
根据权利要求1所述的一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，其特征在于，所述反激平面变压器包括绕组和磁芯；绕组采用
PCB
绕组，磁芯采用
ELT
平面磁芯，气隙设于磁芯的中柱和两个边柱拐角处
。3.
根据权利要求1所述的一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，其特征在于，所述反激平面变压器的原边匝数多于副边匝数，所述反激平面变压器的绕组进行了每层多匝设计，将绕组结构设置为非完全交错的形式
。4.
根据权利要求1所述的一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，其特征在于，基于对传统单层铜箔绕组的交流损耗分析，在每层多匝绕组情况下引入铜层系数
η
，对每层单匝绕组的交流损耗分析模型进行修正，并将单匝绕组的损耗分析模型合并，得到每层多匝绕组交流损耗公式
。5.
根据权利要求4所述的一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，其特征在于，所述每层单匝绕组的交流损耗用
P
ac
表示，计算公式如下所示：其中
w
为绕组宽度，
h
为铜箔厚度，
J
z
(x)
为电感绕组的电流密度
,H1，
H2分别代表铜箔表面的磁场强度，
σ
为铜的电导率，
v
代表铜箔厚度
h
与集肤深度
δ
的比值，集肤深度
δ
的表达式为：其中
μ0为铜的磁导率，
f
s
为开关频率
。6.
根据权利要求4所述的一种基于混合铜厚绕组结构的反激平面变压器设计方法，其特征在于，所述每层多匝绕组损耗公式由以下分析得到：平面变压器设计中，绕组与绕组
、
绕组与磁芯之间都存在安全距离，第
k
层绕组总宽度与磁芯窗口的比值为
η
k
，其定义如下所示：其中
n
k
是第
k
层绕组多含有的匝数，
w
k
是第
k
层绕组每匝绕组的宽度，
w
c
是磁芯窗口宽度，
s1是层中每匝绕组之间的线间距，
s
c
是绕组和磁芯之间的间距，每层多匝绕组情况下的归一化集肤深度为
δ
′
，其定义如下所示：
第
k
层的总绕组宽度小于磁芯窗口宽度，则对于该层中，
n
k
匝宽度为
w
k
、
电导率为
σ
的绕组与
n
k
匝宽度为
w
k
/
η
k
，电导率为
η
k<...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚凯，李飞，毛瑞鑫，薛磊，张晨阳，于海鹏，夏邦辉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：