LLC高頻變壓器繞組布局的研究

楊麗雯，陳尚思，張彤彤

（1．南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211100；2．南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京211100）

0 引 言

磁性元器件如變壓器、電感，是電力電子變換裝置的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著能量的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、濾波和電氣隔離等功能，其體積和重量一般占整個(gè)變換器的20%～30%，損耗占總損耗的30%左右。因此如何優(yōu)化設(shè)計(jì)磁性元件，特別是磁性元件中較為重要的變壓器，是電源設(shè)計(jì)的核心，它是減小尺寸、降低損耗和成本的關(guān)鍵。

提高變換器的工作頻率能有效減小變壓器的體積，但高頻下由于鄰近效應(yīng)、集膚效應(yīng)以及邊緣效應(yīng)的影響，變壓器會(huì)產(chǎn)生更大的損耗，降低變換器效率。高頻變壓器的繞組損耗占變壓器總損耗的很大一部分，繞組損耗取決于繞組的排布方式、導(dǎo)線線徑和開關(guān)頻率等因素。在文獻(xiàn)［1］中Dowell提出了變壓器繞組損耗的一維模型，對(duì)變壓器漏感值和繞組交流電阻進(jìn)行了計(jì)算和測試。圍繞Dowell的一維損耗模型，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究工作以驗(yàn)證其正確性和精確度。但對(duì)LLC變壓器原副邊繞組排布方式與繞組損耗關(guān)系的研究仍較少。

本文研究的高頻變壓器模型均是以LLC變壓器為研究對(duì)象，其原副邊匝比為8∶2∶2。利用有限元仿真軟件分析了不同繞組排布方式對(duì)繞組損耗的影響，進(jìn)而得到了最優(yōu)的繞組布局。

1 變壓器原副邊繞組排布方式對(duì)繞組損耗的影響

1.1 理論計(jì)算

高頻變壓器原副邊繞組的不同排布方式會(huì)影響變壓器工作時(shí)的最大磁勢，一般變壓器原副邊繞組均采用交錯(cuò)并聯(lián)的方式，這樣可減小磁勢最大值和鄰近效應(yīng)，所以繞組損耗和漏電感都會(huì)相應(yīng)減小［2］。但變壓器存在多種交錯(cuò)繞組方式，現(xiàn)通過理論計(jì)算和ANSYS仿真進(jìn)行比較分析。

為分析不同交錯(cuò)繞組方式對(duì)繞組損耗的影響，建立如圖1所示三種模型。其中，P表示原邊繞組，S1和S2分別表示兩獨(dú)立副邊繞組，S1和S2分時(shí)工作，一個(gè)周期內(nèi)兩副邊工作時(shí)間相同。

圖1 不同繞組布局的仿真模型

其中，模型a未采用交錯(cuò)繞組方式，模型b采用“1／2原邊繞組，副邊繞組1，副邊繞組2，1／2原邊繞組”的交錯(cuò)繞組方式，模型c采用“副邊繞組1，原邊繞組，副邊繞組2”的交錯(cuò)繞組方式。

因磁芯磁導(dǎo)率比空氣磁導(dǎo)率大很多，磁阻比空氣小很多，線圈外部磁場被高磁導(dǎo)率磁芯短路，忽略磁芯中磁壓降［3］。進(jìn)行理論分析，存儲(chǔ)在窗口內(nèi)沒有被傳輸?shù)拇艌瞿芰繛椋?/p>

式中，μ為材料磁導(dǎo)率，V為空間體積，H為磁場強(qiáng)度。

根據(jù)安培環(huán)路定理可得，不考慮臨近效應(yīng)時(shí)，作出a、b、c三種繞組方式的磁場強(qiáng)度變化曲線圖。明顯看出，模型b所對(duì)應(yīng)最大磁勢僅為模型a的50%（實(shí)際比值應(yīng)略高于50%），而模型c的最大磁勢與未進(jìn)行交錯(cuò)繞制的模型a相同。這是因?yàn)樵⒏边吚@組的磁勢相反，會(huì)存在一個(gè)去磁效應(yīng)，使得磁芯窗口中的磁勢會(huì)有一定減小。但在一個(gè)周期內(nèi)，因副邊分時(shí)獨(dú)立工作，模型a和模型b均存在因另一副邊占用窗口而使得最大磁勢保持的部分，這一點(diǎn)上模型c更占優(yōu)勢。

為進(jìn)一步比較三種繞組情況下窗口能量大小，定義能量線密度滿足w＝∫8b＋8c0wxdx，分別用S1和S2工作時(shí)w1＝k21和w2＝k22的大小來反映能量分布。窗口實(shí)際漏感能量W為w1、w2的加權(quán)平均，兩副邊工作時(shí)間相同，w1＋w2的值反映繞組總的能量分布。a、b、c三種繞組方式的能量線密度隨空間位置分布如圖2。

圖2 不同模型的能量線密度分布

線圈交錯(cuò)繞制的模型b和c能量線密度峰值遠(yuǎn)小于未進(jìn)行交錯(cuò)繞制的模型a，三種模型中實(shí)際能量相對(duì)值為函數(shù)圖像與坐標(biāo)軸面積，經(jīng)計(jì)算可得：

式中，b為原邊繞組單層寬度，c為副邊繞組單層寬度。

故進(jìn)行交錯(cuò)繞組后的變壓器繞組損耗都有一定程度上的減少，但模型b窗口內(nèi)未傳輸能量為模型a的36%，模型c窗口內(nèi)未傳輸能量約為模型a的81%（取c＝0．5 b）。不同交錯(cuò)繞制方式產(chǎn)生效果差別很大，其本質(zhì)原因是模型b通過交錯(cuò)繞制將窗口內(nèi)最大磁勢大大降低，而模型c僅使得兩副邊工作區(qū)域錯(cuò)開，對(duì)繞組損耗影響較小。

1.2 仿真分析

根據(jù)理論計(jì)算初步結(jié)果，利用有限元分析工具ANSYS軟件對(duì)繞組布置方式進(jìn)行仿真分析，采用ANSYS渦流分析方法，仿真高頻下臨近效應(yīng)對(duì)繞組損耗的影響及不同繞制方式下變壓器窗口能量分布。經(jīng)施加激勵(lì)，選定材料，網(wǎng)格剖分等操作后得到仿真結(jié)果。不同模型磁感應(yīng)強(qiáng)度大小變化趨勢與理論分析時(shí)副邊S1工作時(shí)磁場強(qiáng)度的大小（絕對(duì)值）變化趨勢類似。

利用ANSYS有限元軟件，分別提取了200～500 kHz頻率下繞組不同排列方式下窗口能量值，并計(jì)算交錯(cuò)繞制下繞組損耗占模型一比值。與理論分析基本一致。

理論分析與仿真結(jié)果均說明，在多副邊分時(shí)工作的變壓器中交錯(cuò)繞法可以減少變壓器繞組損耗，而原邊夾副邊的交錯(cuò)繞制方式相對(duì)更為有效，最大磁勢的極大降低可使變壓器窗口能量減少50%以上，副邊夾原邊的繞組方式可以使副邊分時(shí)工作更為獨(dú)立，并一定程度上減少繞組銅損，最終減少20%～30%不能被傳輸?shù)拇翱谀芰俊?/p>

本文將原副邊一次分段，在實(shí)際工程中出現(xiàn)多副邊分時(shí)作業(yè)時(shí)可盡量選擇將原邊繞組更多分段以交錯(cuò)布線，這可進(jìn)一步降低最大磁勢和不同繞組之間的聯(lián)系，以降低損耗。但分段更多對(duì)線圈絕緣性能要求增加，使其繞制、屏蔽困難，并增大層間電容［4］。因此，實(shí)際作業(yè)中應(yīng)合理運(yùn)用原副邊交錯(cuò)繞制的方式。

2 結(jié) 論

本文研究了LLC變壓器原副邊繞組幾種排布方式對(duì)繞組損耗的影響，得出結(jié)論：在多副邊分時(shí)工作的高頻變壓器中交錯(cuò)繞法可以減少變壓器繞組損耗，而原邊夾副邊的交錯(cuò)繞制方式相對(duì)更為有效。