徐禎祥，徐秀華，王令巖，張益齊，趙 絮

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

目前高頻化是電源變換模塊高效輕小型化的一個重要技術(shù)發(fā)展趨勢，而變壓器作為電源變換模塊的核心元件，高頻化將給變壓器熱耗及性能帶來嚴(yán)重影響。

變壓器在重量輕、體積小的要求下，實(shí)現(xiàn)高可靠、高功率密度能量傳輸?shù)年P(guān)鍵是降低變壓器的熱損耗，主要途徑包括磁芯和繞組結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，本文重點(diǎn)從平面變壓器繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度討論降低變壓器損耗的技術(shù)方法[1]。平面變壓器繞組損耗受交流阻抗等寄生參數(shù)的影響。而高頻時，由于集膚和鄰近效應(yīng)的影響，繞組層厚度、層數(shù)和結(jié)構(gòu)等都將對寄生參數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[2]。

本文以銅箔作為繞組材料，以Maxwell 3D電磁場有限元軟件為仿真工具，分析了高頻下，損耗與銅箔厚度、層數(shù)的關(guān)系，得到了繞組并聯(lián)時損耗的變化特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，提出了幾種變壓器設(shè)計方案，并仿真分析了對這幾種排列形式的能耗，確定了最優(yōu)繞組結(jié)構(gòu)，并研制了變壓器樣件，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證分析方法有效可靠。

1 高頻下不同厚度和層數(shù)繞組的損耗分析

對厚度分別為0.05、0.1、0.2和0.3 mm以及并聯(lián)層數(shù)分別為1～4層的16種繞組，施加頻率為200 kHz、10 A的電流，此時銅的集膚深度為0.15 mm，得到繞組損耗如表1和圖1所示。

表1 200 kHz時，不同厚度、層數(shù)的銅箔并聯(lián)單層損耗和總損耗Tab.1 Single-layer and total losses of interleaving copper foils of different thicknesses and layers at 200 kHz

高頻下，薄銅箔的單層單位長度損耗隨厚度增加而減小，最后趨于穩(wěn)定；單位長度總損耗在總厚度小于π倍的集膚深度時不斷減??；銅箔單層厚度為0.2 mm或0.3 mm，層數(shù)為2或3層時，銅箔單位長度總損耗較小，但3層時每層損耗更小，可根據(jù)情況，采取2層或3層銅箔并聯(lián)。

2 高頻下不同排列的繞組損耗分析

本文采用繞組交叉布置結(jié)構(gòu)的方法對變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以使繞組中的電流密度較小并分布均勻。

2.1 并聯(lián)繞組不同結(jié)構(gòu)的磁勢分布

以匝比1：1的平面變壓器為例，分析不同排列方式繞組電流密度的分布情況。變壓器原邊布置2層繞組，每層1匝，層與層之間并聯(lián)，電流為Ii；副邊2層繞組并聯(lián)，每層1匝，繞組電流為Io。2種變壓器的繞組布置結(jié)構(gòu)為：不交叉布置的一般結(jié)構(gòu)和原、副邊交叉繞制的布置結(jié)構(gòu)。2種布置的變壓器各層繞組中，由鄰近效應(yīng)引起的渦流分布及磁動勢分布如圖2所示，繞組電流Io，由鄰近繞組中磁動勢感應(yīng)的電流Ig，鄰近繞組中的磁動勢感應(yīng)的反向電流Ic，P表示變壓器原邊繞組，S表示副邊繞組，每匝繞組寬度為W，厚度為h。

圖2中，假設(shè)變壓器中繞組層右側(cè)磁動勢為0，左側(cè)磁動勢為F。圖2（a）中，繞組層S2的輸出電流產(chǎn)生的磁通將在繞組層S1產(chǎn)生與輸出電流Io方向相反、大小相同的電流Ig，則其反向電流Ic=2Io，磁動勢為2F。因此，一般布置結(jié)構(gòu)變壓器繞組內(nèi)電流分布不均，磁動勢范圍0～2F，導(dǎo)致渦流效應(yīng)產(chǎn)生的電流平方和較大，損耗較大。

同理圖2（b）中，變壓器交叉布置時，電流分布均勻，磁動勢范圍0～F，渦流損耗較小[3]。

對2種方案各層繞組進(jìn)行損耗分析。每層繞組上、下表面磁場強(qiáng)度之差由導(dǎo)體中電流大小決定，而集膚損耗由繞組磁場強(qiáng)度之差決定，因此P、S繞組交叉結(jié)構(gòu)對集膚損耗無影響；而鄰近損耗由繞組層表面磁場強(qiáng)度之和決定，在圖2（b）中，由于副邊繞組與原邊繞組層交叉布置，原邊（副邊）電流在副邊（原邊）繞組產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度大小相等且方向相反，故中間層磁場強(qiáng)度之和為0，相鄰繞組在此產(chǎn)生的鄰近損耗為0。由此說明，P、S繞組交叉布置結(jié)構(gòu)，能夠使繞組層2個表面的磁場相互抵消，進(jìn)而減少鄰近損耗。而且變壓器繞組并聯(lián)層數(shù)越多，利用P、S繞組完全交叉布置結(jié)構(gòu)，減少鄰近損耗的效果越明顯[4-7]。

2.2 并聯(lián)繞組損耗的仿真分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證繞組交叉布置結(jié)構(gòu)對促使電流均勻分布的作用，對不同的繞組布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行Maxwell 2D分析。

仿真條件為：銅片導(dǎo)體長度6 mm，厚度0.3 mm，兩導(dǎo)體之間絕緣層厚度0.1 mm，電流10 A，P和S繞組內(nèi)電流反向，2層繞組并聯(lián)。在頻率200 kHz下不同繞組結(jié)構(gòu)電流密度分布如圖3所示。圖中，完全交叉指不同繞組層完全分開，對稱交叉指整個繞組在中心線兩邊對稱布置。

由圖3可見，200 kHz時，未交叉結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)離中心的繞組層電流密度分布極不均勻，高頻效應(yīng)影響明顯，因此產(chǎn)生的損耗最大。而交叉布置結(jié)構(gòu)中電流密度分布更均勻，交叉布置可以減少高頻效應(yīng)帶來的影響，進(jìn)而減少繞組損耗[8]。而在單繞組中，完全交叉和對稱交叉結(jié)構(gòu)內(nèi)電流密度分布大致相同。不同結(jié)構(gòu)并聯(lián)繞組的總損耗如圖4所示。

2.3 平面變壓器繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對于采用雙半波整流方式的電源變換模塊，其變壓器廣泛采用中心抽頭結(jié)構(gòu)。但與單繞組變壓器不同的是，中心抽頭變壓器的副邊有2個繞組分時工作。

中心抽頭變壓器副邊由Ns1、Ns22個繞組構(gòu)成，分別通電流is1、is2。對此種變壓器的設(shè)計，主要針對2個方面：一方面使電流在工作的副邊中均分；另一方面，在不工作繞組中，由于鄰近效應(yīng)而感應(yīng)的渦流盡量小[9]。

當(dāng)繞組Np和Ns1工作時，為了使電流在并聯(lián)繞組中分布均勻，Np和Ns1（Ns2）的繞組布置結(jié)構(gòu)應(yīng)該和無中心抽頭變壓器一致，同時繞組Ns2中鄰近損耗盡量小，繞組Ns2（Ns1）應(yīng)該布置在磁場強(qiáng)度較小的地方，即遠(yuǎn)離Ns1（Ns2）的地方。據(jù)此提出了3種平面變壓器設(shè)計方案，如圖5所示。

圖5（a）為方案 1，原邊由 P1和 P2串聯(lián)而成，副邊 2個繞組由 2組繞組層 S11、S12或 S21、S22并聯(lián)而成，分別布置在原邊的兩側(cè)。圖5（b）為方案2，原邊由銅線改為薄銅片，寬度W=3 mm，厚度h=0.25 mm。副邊S1、原邊、副邊S2采用完全交叉繞組布置；圖 5（c）為方案 3，原、副邊繞組層設(shè)計與圖（b）相同，副邊繞組S2和S1對稱分布在原邊繞組P2兩側(cè)，然后由P1包裹，整體構(gòu)成對稱交叉布置結(jié)構(gòu)，原副邊耦合度更高。

方案2、3中，由于原邊采用薄銅片繞制，窗口利用率由73%提高到80%，而交叉結(jié)構(gòu)使電流在并聯(lián)繞組間分布更均勻，變壓器效率更高。在方案3中，當(dāng)繞組 Np和 Ns1（Ns2）工作時，原邊繞組層在繞組Ns2（Ns1）中產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度之和為0，所以由鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的損耗為0，因此減少變壓器繞組總損耗的效果更明顯，效率更高。

3 平面變壓器仿真分析

3.1 變壓器繞組參數(shù)及損耗仿真分析

通過Maxwell 3D渦流場，求解一定頻率下平面變壓器等效電路模型中的阻抗矩陣，計算得出交流阻抗、高頻繞組損耗等參數(shù)[10]。對本文所提3個方案，利用Maxwell 3D軟件建立平面變壓器仿真分析模型。仿真參數(shù)為：輸入電壓160 V、電流7 A，輸出電流18 A，功率1 kW，工作頻率200 kHz。

3個優(yōu)化設(shè)計方案的寄生參數(shù)及渦流損耗如表2所示。

由表可以看出：與方案1相比，方案3的漏感降低最明顯，對稱交叉比完全交叉效果更好，耦合度更高；與方案2相比，制造工藝幾乎相同，但方案3設(shè)計優(yōu)化效果更合理，引起損耗的寄生參數(shù)更小，實(shí)用性更強(qiáng)。

表2 寄生參數(shù)及繞組損耗的仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of stray parameters and winding loss

使用渦流求解，還能夠得到平面變壓器各繞組的電流密度，方便對變壓器損耗的影響因素做出更精確的分析。電流密度分布如圖6所示。

從圖6中可以看出方案1中原邊導(dǎo)線較粗，邊緣電流密度明顯大于中心密度，副邊并聯(lián)繞組中，并聯(lián)的2個繞組層中電流分布不均勻，損耗大；方案2中，繞組采用交叉布置結(jié)構(gòu)，原、副邊繞組耦合度更高，電流在不同繞組層之間分布均勻，減少損耗效果明顯；方案3對稱交叉布置中，不同副邊的布置結(jié)構(gòu)更合理，損耗更低，繞組中電流密度分布更加均勻，更有利于降低變壓器整體的溫升。

3.2 平面變壓器溫升仿真分析

將不同變壓器設(shè)計方案的損耗值導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，利用電磁熱耦合分析功能得到各方案平面變壓器穩(wěn)態(tài)溫升如圖7所示。

針對同一變壓器，輸入電壓為額定電壓160 V，在電流變化的情況下，觀察變壓器溫升的變化情況，得出變壓器的溫度-電流關(guān)系，如表3所示。

從表3溫度仿真結(jié)果可以看出，方案1中，繞組層較厚，損耗最大，熱點(diǎn)溫升最高，而且存在過熱點(diǎn)；方案2中，三繞組交叉布置，增加了原、副邊耦合度，使電流密度分布更加均勻，降低了繞組損耗，溫升下降效果明顯，但方案3的優(yōu)化效果更明顯，熱點(diǎn)溫度由125℃降至93℃，溫度變化最平緩。

表3 不同變壓器的仿真溫度-電流關(guān)系Tab.3 Relationship between simulation temperature and current of different transformers

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文提出的變壓器優(yōu)化設(shè)計方案能否有效地減少損耗，降低溫升，研制了高頻平面變壓器樣件，并分別對樣件及電源模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證高頻平面變壓器優(yōu)化設(shè)計方案的合理性。

4.1 平面變壓器樣件研制

3種設(shè)計方案的高頻平面變壓器樣件如圖8所示。平面變壓器方案1為單層繞組，原邊采用銅線繞制；方案2為原邊用銅條繞制，副邊為并聯(lián)雙繞組，2個副邊繞組與原邊采用完全交叉結(jié)構(gòu)；方案3為2個副邊與原邊采用對稱交叉結(jié)構(gòu)。

4.2 平面變壓器樣件參數(shù)測量

針對變壓器產(chǎn)品，測量其寄生參數(shù)，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，不同設(shè)計方案中平面變壓器寄生參數(shù)的變化與仿真時大致相同，方案2、3的交流阻抗明顯低于方案1，而品質(zhì)因數(shù)Q高于方案1，因此，繞組損耗也明顯降低，效率高，優(yōu)化設(shè)計效果明顯，達(dá)到了目標(biāo)。

表4 寄生參數(shù)的測量與結(jié)果Tab.4 Measurement results of stray parameters

4.3 基于平面變壓器的電源變換模塊集成實(shí)驗(yàn)

本文搭建了直流160 V-56 V電源變換模塊的實(shí)驗(yàn)平臺，對3種方案的平面變壓器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以考核不同方案變壓器的溫升情況。

4.3.1 不同設(shè)計方案變壓器的溫升情況

針對同一電源變換模塊，輸出滿載1 kW時，電源變換模塊持續(xù)工作，穩(wěn)態(tài)時不同變壓器的溫度情況如圖9所示。

從圖9中可以看出：方案1的變壓器溫度最高，其他開關(guān)管、整流管等功率器件溫度為75℃左右，最熱點(diǎn)溫度達(dá)到125℃；而方案2和3的變壓器溫度明顯較低，最熱點(diǎn)集中在變壓器磁芯上，而電源模塊其他功率器件的溫度在65℃左右，工作穩(wěn)定。

4.3.2 電路輸出參數(shù)對變壓器溫度的影響

在輸入額定電壓160 V、電流變化的情況下，觀察并記錄不同變壓器溫度的變化情況，得到不同變壓器的溫度-電流關(guān)系，如表5所示。

測量不同變壓器的效率，效率-電流關(guān)系如圖10所示。

表5 不同變壓器的實(shí)驗(yàn)電流-溫升關(guān)系Tab.5 Relationship between current and temperature rise of different transformers

從表5、圖10可以看出電源變換模塊的功率變化時不同變壓器溫度和效率的變化過程。3個設(shè)計方案中，輸出負(fù)載很小時，溫度大致相同；半載附近時，變壓器的溫度變化明顯加劇，溫度在工作過程中變化幅度最大；方案1滿載時，由于溫度過高，連續(xù)工作時間短。方案2繞組并聯(lián)后溫度下降效果明顯，方案3總溫度最低，溫度變化最平緩；而電源模塊的效率在輸出電流為15 A時達(dá)到峰值94%，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)可行，效果明顯可靠。

5 結(jié)論

本文首先仿真分析了薄銅箔在不同厚度和參數(shù)及不同排列結(jié)構(gòu)下的損耗，然后提出了3種不同繞組結(jié)構(gòu)的變壓器設(shè)計方案，并對其進(jìn)行了仿真分析；針對3種設(shè)計方案完成了變壓器的實(shí)物研制，并進(jìn)行了測試和帶載實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

（1）高頻工作條件下，單層薄銅箔的單位長度損耗隨厚度增加而減小，最后趨于穩(wěn)定；銅箔單層厚度為0.2 mm或0.3 mm，層數(shù)為2或3層時，銅箔單位長度總損耗較小。

（2）高頻下，原副邊一般布置結(jié)構(gòu)時，遠(yuǎn)離中心的繞組層電流密度分布極不均勻，受高頻效應(yīng)影響產(chǎn)生損耗最大。而交叉布置結(jié)構(gòu)中電流密度分布更加均勻，交叉布置可以減少高頻鄰近效應(yīng)的影響，進(jìn)而減少繞組損耗。

（3）高頻下，對稱交叉比完全交叉效果更好，耦合度高，繞組中電流密度分布更加均勻，電流密度小，損耗低，更有利于降低變壓器的整體溫升。

（4）變壓器實(shí)驗(yàn)表明，采用交叉布置的變壓器效率更高、溫升較低，而對稱交叉的變壓器不僅溫升最低，而且溫升與負(fù)載變化曲線更加平滑，即溫升對負(fù)載變化的敏感度低。