平面变压器绕组高频损耗的研究

论文摘要

与传统绕线式变压器相比,平面变压器具有相当多的优点,例如低造型、良好的散热特性、漏感小、可实现特性重现等等,适用于高功率密度高频开关电源。平面变压器的研究和应用在过去十年得到了快速发展。然而,当开关频率高达数百KHz,甚至大于1MHz时,平面变压器受到诸如集肤和邻近效应等高频效应的影响。这些高频效应产生的交流电阻、漏感增大了开关电源的损耗,降低了开关电源的性能,因此平面变压器的优化设计必须考虑所有高频效应的影响。本文从Maxwell电磁场方程组出发,在一维情况下对薄铜箔的集肤效应和邻近效应引起的损耗进行了研究,得出薄铜箔总的涡流损耗是集肤和邻近效应单独起作用产生损耗的总和。运用Ansoft公司的Maxwell 2D电磁场仿真软件对多层绕组并联在高频时带来的问题进行了研究,说明了简单的绕组并联并不能减小高频损耗,并且分析了在并联绕组中产生不均流的原因,对影响并联PCB线圈中电流分配的重要因素进行了研究。同时对平面变压器原副边绕组利用交叉换位技术减少高频损耗在不同类型变压器中的运用进行了深入研究,详细说明了在不同类型变压器中如何具体运用交叉换位技术来减小绕组的高频损耗。随后在考虑高频开关电流及其谐波的情况下对不同的交叉换位方案进行了分析,提出了绕组交叉换位设计必须考虑全部电流分量,不能只针对某一频率设计。最后分析了绕组边缘效应对高频损耗和漏感的影响。本文最后详细阐述了基于反激变换器的平面变压器的设计过程。根据前面的理论分析,设计制作了三种不同绕组布局的平面变压器,并和普通绕线式变压器进行了实验对比,实验结果表明原副边绕组交叉换位布局的平面变压器性能优良,显著的提高了变换器的效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 平面变压器的研究背景及概况
• 1.2.1 平面变压器的研究背景
• 1.2.2 平面变压器的研究概况
• 1.3 本文研究的主要意义和研究内容
• 1.3.1 本文的研究意义
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 第二章 平面变压器结构特性与应用
• 2.1 平面变压器结构特性
• 2.1.1 平面变压器绕组制作技术
• 2.1.2 平面变压器磁芯
• 2.1.3 印制板平面变压器分类
• 2.1.4 平面变压器的特性
• 2.2 平面变压器的应用
• 2.2.1 开关电源变压器
• 2.2.2 脉冲变压器
• 2.2.3 平面变压器的应用拓展
• 2.3 平面变压器的仿真
• 2.3.1 有限元简介
• 2.3.2 Ansoft 公司Maxwell 2D 电磁场分析软件简介
• 2.4 本章小结
• 第三章 薄铜箔绕组的损耗分析
• 3.1 用于涡流分析的 Maxwell 方程组
• 3.2 薄铜箔集肤损耗的一维解
• 3.3 薄铜箔邻近效应的一维解
• 3.4 载流薄铜箔涡流损耗的一维解
• 3.5 本章小结
• 第四章 并联绕组的分析与设计
• 4.1 多层并联绕组在高频时的问题分析
• 4.1.1 一层厚绕组分为两个相等厚度薄绕组并联对损耗影响的分析
• 4.1.2 影响并联PCB 线圈中电流分配的因素
• 4.2 平面变压器原副边绕组交叉换位对减少高频损耗的分析
• 4.2.1 交叉换位技术在正激变压器中的运用
• 4.2.2 交叉换位技术在反激变换器中的运用
• 4.2.3 交叉换位技术在特殊变压器中的运用
• 4.3 原副边绕组交叉换位技术进一步的研究
• 4.4 原副边绕组之间边缘效应的研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 平面变压器的实验研究
• 5.1 双管反激变换器的主要性能指标
• 5.2 平面变压器结构设计
• 5.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间参与的科研项目及发表的学术论文