大功率开关电源变压器的铜损伤仿真分析

论文摘要

随着电源技术的不断发展,高频化和高功率密度化已成为开关电源系统的研究方向和发展趋势。变压器是开关电源的核心部件,是决定开关电源性能和稳定性的重要因素,随着工作频率的不断提高,变压器的结构越来越紧凑,高频效应的影响越来越明显,变压器损耗极易引起局部过热,甚至烧毁变压器。因此,对变压器损耗的研究具有重要的工程意义。本文所研究的问题属于交变电磁场问题。因此,本文从麦克斯韦方程组出发,介绍了交变电磁场理论以及分析该问题所用到的有限元法。分析了在高频条件下,集肤效应和临近效应对变压器绕组损耗的影响,并分别介绍了磁性材料的磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。以实际的高频变压器模型为背景,建立变压器损耗的三维等截面积仿真模型,采用有限元法对变压器铜损进行数值求解。模拟分析次级绕组段间距、初级绕组以及磁芯漏磁对次级绕组损耗的影响,并引入了矩形导线和圆导线之间的等效因子。分析表明,在考虑次级绕组段间距、初级绕组以及磁芯漏磁后,高频变压器的次级铜损值246.09W,远大于Dowell模型的理论计算值107.50W,这为变压器铜损的进一步优化提供了参考。在考虑各种因素对变压器损耗的影响后,利用等截面积模型和等高度模型对实际变压器进行等效,模拟表明,两种等效方式下的绕组具有相同的损耗。论文还对具有相同磁芯截面积的矩形磁芯和E形磁芯的变压器绕组损耗进行了对比,同时还给出了变压器漏磁在油箱中产生的附加损耗值。在此变压器模型下,分析了绕组损耗随变压器层数和绕组高度的变化关系,得出了变压器绕组损耗的最优值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 电磁场基本理论与有限元法
• 2.1 似稳态高频电磁场
• 2.1.1 似稳态麦克斯韦方程组
• 2.1.2 本构关系
• 2.1.3 电磁分析边界条件
• 2.2 时变电磁场辅助变量的引入与偏微分方程
• 2.2.1 电磁位
• 2.2.2 规范变换
• 2.3 有限元法概述
• 2.3.1 有限元法基本原理
• 2.3.2 有限元仿真的一般步骤
• 2.4 本章小结
• 第3章 变压器损耗的理论分析
• 3.1 变压器损耗概述
• 3.2 变压器铜损分析
• 3.2.1 集肤效应对绕组损耗的影响
• 3.2.2 临近效应对绕组损耗的影响
• 3.3 变压器铁损分析
• 3.3.1 磁滞损耗
• 3.3.2 涡流损耗
• 3.3.3 剩余损耗
• 3.4 变压器油箱壁的损耗分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 变压器绕组损耗的影响关系分析
• 4.1 变压器绕组等效模型介绍
• 4.2 高频变压器绕组损耗有限元分析
• 4.2.1 变压器有限元模型介绍
• 4.2.2 Dowell模型理论计算与验证
• 4.2.3 线圈层数对绕组损耗的影响
• 4.2.4 绕组段间距对绕组损耗的影响
• 4.2.5 厚绕组拆分为薄绕组并联对损耗的影响
• 4.2.6 磁芯漏磁对绕组损耗的影响
• 4.2.7 初级绕组对次级绕组损耗的影响
• 4.2.8 三维半模型次级绕组损耗分布不均匀的分析
• 4.2.9 绞合细导线的损耗分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于实际变压器模型的三维有限元分析
• 5.1 等截面积模型介绍
• 5.2 等高度模型介绍
• 5.3 E形结构磁芯等截面积模型分析
• 5.4 变压器油箱损耗计算
• 5.5 变压器绕组损耗优化分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文