楊歡,張軍朝*,張俊虎,張建,張毅

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西 太原 030024; 2.山西省電氣傳動(dòng)及物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030024; 3.山西太原天地方圓電子科技有限公司,山西 太原 030024;4.太原市城市照明管理處,山西 太原 030024)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,開關(guān)電源憑借其體積小、重量輕以及可靠性高的優(yōu)點(diǎn),逐步取代了線性穩(wěn)壓電源并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。然而,隨著工作頻率的提高,開關(guān)電源內(nèi)部分布參數(shù)的影響也越來越明顯,功率損耗也在逐漸增加[2]。分布參數(shù)的存在不僅會(huì)引起諧振現(xiàn)象的發(fā)生,而且會(huì)在高頻變壓器電壓、電流變化的瞬間在開關(guān)管上產(chǎn)生電流、電壓尖峰,容易損壞開關(guān)管并且增加了功率損耗[3]。功率損耗不僅使得開關(guān)電源整體能量轉(zhuǎn)換效率降低,也加速了其內(nèi)部元器件的老化,對(duì)開關(guān)電源的可靠性及使用壽命產(chǎn)生了非常不利的影響。因此,如何降低高頻變壓器的分布參數(shù)成為目前眾多專家、學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

高頻變壓器的分布參數(shù)主要有漏感和分布電容,它們主要受繞組布局情況(如繞組繞制結(jié)構(gòu)、連接方式以及絕緣層厚度)的影響,文獻(xiàn)[4]分析了分布參數(shù)對(duì)高頻變壓器效率的影響,并提出了采用交叉繞制的方式減小漏感,提高能量轉(zhuǎn)換效率的思路。文獻(xiàn)[5]研究了無交叉換位、部分交叉換位以及完全交叉換位三種繞制結(jié)構(gòu)對(duì)漏感的影響,提出了通過提高繞組交叉換位程度以及降低繞組層數(shù)的辦法來降低漏感。文獻(xiàn)[6]著重分析了不同繞制結(jié)構(gòu)對(duì)分布電容的影響,并提出了分布電容的軟件提取方法。然而,上述三篇文獻(xiàn)僅僅分析了不同繞組結(jié)構(gòu)對(duì)于漏感或者分布電容的影響,并未同時(shí)考慮不同繞制結(jié)構(gòu)對(duì)于這兩種分布參數(shù)的影響,不利于指導(dǎo)繞組的設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)高頻變壓器繞組不同繞制結(jié)構(gòu)、連接方式以及絕緣層厚度對(duì)漏感和分布電容兩種參數(shù)的影響分別進(jìn)行了理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)際設(shè)計(jì)及測(cè)試,得到了分布參數(shù)及功率損耗均較低的繞制結(jié)構(gòu)及絕緣層厚度范圍值,為設(shè)計(jì)低功耗的高頻變壓器提供了理論及實(shí)際參考。

1 分布參數(shù)產(chǎn)生的機(jī)理及影響

1.1 漏感產(chǎn)生的機(jī)理及影響

為方便分析漏感和分布電容的產(chǎn)生機(jī)理,給出如圖1所示的高頻變壓器等效電路圖。高頻變壓器在運(yùn)行過程當(dāng)中,初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)的磁通沒有全部經(jīng)過磁芯耦合,有一部分磁通經(jīng)空氣構(gòu)成閉合回路,這部分磁通稱為“漏磁通”,產(chǎn)生的電感稱為“漏感”,對(duì)應(yīng)于圖1中的L10、L20。漏感的存在不僅使得開關(guān)管在開通或關(guān)斷時(shí),漏感儲(chǔ)能釋放,會(huì)在開關(guān)管上產(chǎn)生電壓尖峰[7-8],增大開關(guān)管的開關(guān)損耗、容易損壞開關(guān)管并且增大漏極鉗位電路的損耗。除此之外,漏感還可能與分布電容或電路中其他電容元件發(fā)生諧振,產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí),由于漏感在電路中是以串聯(lián)的形式等效,在電壓一定的情況下,電流有效值降低,輸出功率降低,高頻變壓器能量轉(zhuǎn)換效率降低。因此,降低漏感對(duì)于優(yōu)化開關(guān)電源性能、保護(hù)開關(guān)管以及降低功率損耗是非常重要的。

Fig.1 Equivalent circuit of high-frequency transformer圖1 高頻變壓器等效電路

1.2 分布電容產(chǎn)生的機(jī)理及影響

開關(guān)電源初級(jí)側(cè)繞組匝間、層間,次級(jí)側(cè)繞組匝間、層間以及初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組之間,均存在分布電容,如圖1中C1、C2和C12所示。一般來說,每層繞組匝間電容串聯(lián)后的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于層間電容值[9]。因此,重點(diǎn)考慮初級(jí)側(cè)繞組或次級(jí)側(cè)繞組層間電容以及初級(jí)側(cè)繞組與次級(jí)側(cè)繞組之間的電容對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的影響。分布電容的存在不僅會(huì)在開關(guān)管開通或關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生電流尖峰,容易損壞開關(guān)管，而且分布電容可能與漏感發(fā)生諧振、產(chǎn)生電磁干擾、并對(duì)開關(guān)電源的性能及效率產(chǎn)生不利的影響。因此,降低分布電容對(duì)保護(hù)開關(guān)管、提高能量轉(zhuǎn)換效率以及提高開關(guān)電源的性能至關(guān)重要。

2 分布參數(shù)的理論分析

2.1 漏感的理論分析

Fig.2 Section and magnetic field intensity distribution of single-layer coaxial winding圖2 單層同軸式繞組截面及磁場強(qiáng)度分布

高頻變壓器的漏磁能量存儲(chǔ)于漏磁場中,初級(jí)側(cè)繞組、次級(jí)側(cè)繞組磁動(dòng)勢(shì)相等,兩繞組內(nèi)電流流向相反。同軸式繞組可以視為長螺線管,各層繞組之間的磁場分布可等效為匝數(shù)相同的螺線管中的磁場。單層同軸式繞組截面及磁場強(qiáng)度分布如圖2所示。

為方便對(duì)漏感及分布電容的分析,統(tǒng)一規(guī)定初級(jí)側(cè)繞組單層厚度為d1,次級(jí)側(cè)繞組單層厚度為d2,初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組之間的絕緣層厚度為m,初級(jí)側(cè)繞組、次級(jí)側(cè)繞組高度為h,初級(jí)側(cè)繞組、次級(jí)側(cè)繞組間的空間范圍平均周長為A。由圖2可以看出,初級(jí)側(cè)繞組磁場強(qiáng)度H1沿繞組厚度方向逐漸增大,到達(dá)絕緣層部位達(dá)到最大,絕緣層范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度Hm保持不變,次級(jí)側(cè)繞組磁場強(qiáng)度H2隨繞組厚度的增加而減小,最終在次級(jí)側(cè)繞組厚度為d2處降低為0。規(guī)定沿繞組厚度方向由里向外為x方向,則初級(jí)側(cè)繞組沿厚度方向的磁場強(qiáng)度H1為:

(1)

絕緣層范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度Hm為:

(2)

次級(jí)側(cè)繞組沿厚度方向的磁場強(qiáng)度H2為:

(3)

磁場能量密度ωm的定義為:

(4)

漏磁場能量Wm為:

(5)

整理結(jié)果為:

(6)

由于,漏磁場能量Wm與歸算至初級(jí)側(cè)的漏感Ls1的關(guān)系為:

(7)

因此,歸算至初級(jí)側(cè)的漏感Ls1可由式(7)推導(dǎo)得到:

(8)

由此可見,歸算至初級(jí)側(cè)的漏感Ls1與繞組高度h成反比,與絕緣層厚度m成正比。因此,增加繞組高度,減小絕緣層厚度有利于增加繞組的耦合程度,降低漏感。由于初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組的磁勢(shì)滿足:N1I1=N2I2。代入公式(6)并利用漏磁場能量與歸算至次級(jí)側(cè)的漏感Ls2和次級(jí)側(cè)電流I2的關(guān)系,可得到歸算至次級(jí)側(cè)的漏感Ls2。Ls2與Ls1的推導(dǎo)過程和結(jié)論完全一致。

高頻變壓器初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組之間的繞制結(jié)構(gòu)可以分為簡易繞制結(jié)構(gòu)、三明治繞制結(jié)構(gòu)以及交叉繞制結(jié)構(gòu)三種。此三種結(jié)構(gòu)的繞組排布及磁場分布分別如圖3、圖4和圖5所示。簡易繞制結(jié)構(gòu)將初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組分別繞制。三明治繞制結(jié)構(gòu)將初級(jí)側(cè)繞組分成兩部分,按照初級(jí)-次級(jí)-初級(jí)的順序繞制。交叉繞制結(jié)構(gòu)將初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組均勻交叉繞制?？梢钥闯?從簡易繞制結(jié)構(gòu)到三明治繞制結(jié)構(gòu)再到交叉繞制結(jié)構(gòu),磁場強(qiáng)度最大值在逐漸減小,整體漏磁場能量減少,絕緣層厚度減小,漏感也相應(yīng)降低[10]。

Fig.3 Winding′s layout and magnetic field distribution of simple winding structure圖3 簡易繞制結(jié)構(gòu)的繞組布局及磁場分布

Fig.4 Winding′s layout and magnetic field distribution of sandwich winding structure圖4 三明治繞制結(jié)構(gòu)的繞組布局及磁場分布

Fig.5 Winding′s layout and magnetic field distribution of cross winding structure圖5 交叉繞制結(jié)構(gòu)的繞組布局及磁場分布

2.2 分布電容的理論分析

1.初級(jí)側(cè)繞組層間電容的理論分析

高頻變壓器分布電容的能量存儲(chǔ)于電場中,可以依據(jù)電場能量與分布電容的關(guān)系推導(dǎo)得到初級(jí)側(cè)繞組或次級(jí)側(cè)繞組層間分布電容的表達(dá)式。初級(jí)側(cè)繞組層間電容與次級(jí)側(cè)繞組層間電容推導(dǎo)方式及結(jié)論完全一致,以初級(jí)側(cè)繞組層間電容為例進(jìn)行分析,按U型和Z型方式連接的繞組截面及電壓分布如圖6、圖7所示。

Fig.6 Winding′s section and voltage distribution of U-shaped connection圖6 按U型方式連接的繞組截面及電壓分布

Fig.7 Winding′s section and voltage distribution of Z-shaped connection圖7 按Z型方式連接的繞組截面及電壓分布

規(guī)定沿繞組高度方向由底端向頂端為y方向,初級(jí)側(cè)繞組底端電位差為Ua,頂端電位差為Ub。假設(shè)繞組均勻分布,則沿著繞組高度方向的電位線性變化。若每一層繞組兩端壓差為U,則圖6中,Ua=0,Ub=2U,任意高度y的電位差Uy為:

(9)

電場能量密度we的定義式為:

(10)

電場能量We為:

(11)

由于電場能量We與分布電容C1的關(guān)系為:

(12)

因此,初級(jí)側(cè)繞組層間分布電容C1可由式(11)和式(12)推導(dǎo)得到:

(13)

圖7中,Ua=Ub=U,任意高度y的電位差Uy=U,則Z型方式連接的初級(jí)側(cè)繞組層間分布電容C1為:

(14)

根據(jù)式(13)、式(14)可以看出,采用Z型連接方式的分布電容較U型連接方式的分布電容小,并且初級(jí)側(cè)繞組層間電容與繞組高度成正比,與絕緣層厚度成反比。

3 初級(jí)側(cè)繞組與次級(jí)側(cè)繞組層間電容理論分析

初級(jí)側(cè)繞組與次級(jí)側(cè)繞組層間電容的分析不涉及繞組連接處繞制方式的問題,因此可以以平行板電容器為模型進(jìn)行類比,分布電容C12為:

(15)

由式(15)可知,初級(jí)側(cè)繞組與次級(jí)側(cè)繞組間分布電容C12與繞組高度h成正比,與絕緣層厚度m成反比。

由此可知,繞組層間電容均正比于繞組高度,反比于絕緣層厚度。減小繞組高度,增大絕緣層厚度可以減小層間電容值。然而,此結(jié)論與降低漏感的措施恰恰相反[11]。繞組高度與磁芯型號(hào)規(guī)格有關(guān),而磁芯型號(hào)規(guī)格的確定在高頻變壓器最開始設(shè)計(jì)的時(shí)候就由功率體積設(shè)計(jì)法經(jīng)計(jì)算和選型得到,并且由于開關(guān)電源正在朝著小型化的方向發(fā)展[12],增大繞組高度對(duì)于減小開關(guān)電源體積不利,往往不會(huì)通過增加繞組高度的辦法來降低漏感。因此,絕緣層厚度便成為影響漏感及分布電容的關(guān)鍵因素。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 仿真模型的建立

為得到絕緣層厚度與漏感及分布電容的關(guān)系,以便設(shè)置恰當(dāng)?shù)慕^緣層厚度,使得漏感和分布電容都比較小,降低分布參數(shù)帶來的電磁干擾,電壓、電流尖峰以及功率損耗。由于Z型連接方式分布電容小。因此,在Ansoft Maxwell軟件中分別建立簡易繞制結(jié)構(gòu)、三明治繞制結(jié)構(gòu)以及交叉繞制結(jié)構(gòu)且不同層繞組連接處以Z型方式連接的高頻變壓器模型。高頻變壓器模型參數(shù)見表1所示。為簡化繞組模型,提高運(yùn)算速度,建立1/2高頻變壓器模型。簡易繞制結(jié)構(gòu)的1/2高頻變壓器模型如圖8所示,三明治繞制結(jié)構(gòu)及交叉繞制結(jié)構(gòu)的1/2高頻變壓器模型的繞組布局同圖4和圖5,此處僅以簡易繞制結(jié)構(gòu)示例。

表1 高頻變壓器模型參數(shù)表

Fig.8 Two-dimensional plan of 1/2 high-frequency transformer model of simple winding structure圖8 簡易繞制結(jié)構(gòu)1/2高頻變壓器模型二維平面圖

4.2 仿真結(jié)果及分析

通過改變絕緣層厚度m,利用Ansoft Maxwell軟件提取三種繞組結(jié)構(gòu)在不同絕緣層厚度下的初級(jí)側(cè)漏感值Ls1、初級(jí)側(cè)分布電容C1、初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組之間的分布電容C12以及分布參數(shù)總損耗Ploss,得到如圖9、圖10、圖11以及圖12所示的仿真結(jié)果。

Fig.9 Relational curve between Ls1 and m圖9 Ls1和m的關(guān)系曲線

Fig.10 Relational curve between C1 and m圖10 C1和m的關(guān)系曲線

Fig.11 Relational curve between C12 and m圖11 C12和m的關(guān)系曲線

Fig.12 Relational curve between Ploss and m圖12 Ploss和m的關(guān)系曲線

圖9所示的仿真結(jié)果表明:三種繞制結(jié)構(gòu)的初級(jí)側(cè)漏感Ls1隨絕緣層厚度m的增加均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。相同絕緣層厚度下,簡易繞制結(jié)構(gòu)的漏感值大于三明治繞制結(jié)構(gòu)和交叉繞制結(jié)構(gòu)的漏感值。圖10所示的仿真結(jié)果表明:三種繞制結(jié)構(gòu)的初級(jí)側(cè)分布電容C1隨絕緣層厚度m的增加均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。相同絕緣層厚度下,交叉繞制結(jié)構(gòu)的分布電容值大于三明治繞制結(jié)構(gòu)和簡易繞制結(jié)構(gòu)的分布電容值。圖11所示的仿真結(jié)果表明:三種繞制結(jié)構(gòu)的初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組之間的分布電容C12隨絕緣層厚度m的增加均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。相同絕緣層厚度下,交叉繞制結(jié)構(gòu)初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組之間的分布電容值大于三明治繞制結(jié)構(gòu)和簡易繞制結(jié)構(gòu)初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組之間的分布電容值。圖9、圖10以及圖11的曲線趨勢(shì)均與理論分析得到的結(jié)論相一致。圖12所示的仿真結(jié)果表明:分布參數(shù)總損耗Ploss隨絕緣層厚度m的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)絕緣層厚度在1.0 mm～1.2 mm范圍內(nèi)時(shí),各種繞制結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)總功率損耗最低,并且三明治繞制結(jié)構(gòu)高頻變壓器的功率損耗在絕緣層厚度為1.1 mm附近時(shí)達(dá)到最低。由于漏感和分布電容隨絕緣層厚度變化的趨勢(shì)恰好相反。因此,在絕緣層厚度偏薄和偏厚時(shí),會(huì)分別造成分布電容和漏感偏大的情況,進(jìn)而導(dǎo)致分布參數(shù)的功耗偏大。當(dāng)絕緣層厚度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)時(shí),各種繞組結(jié)構(gòu)的分布電容和漏感均達(dá)到大小適中的值,避開了漏感或分布電容最大的情況,分布參數(shù)的功耗低。而三明治繞制結(jié)構(gòu)的繞組之間的耦合性介于簡易繞制結(jié)構(gòu)和交叉繞制結(jié)構(gòu)之間,更易平衡兩種分布參數(shù),實(shí)現(xiàn)功耗最低。因此,圖12所示的趨勢(shì)正確。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

Fig.13 Proto of high-frequency transformer圖13 高頻變壓器樣機(jī)

基于上述仿真結(jié)果,設(shè)計(jì)了基于三明治繞制結(jié)構(gòu)的不同層繞組連接處以Z型方式連接且絕緣層厚度為1.1 mm的高頻變壓器樣機(jī)。高頻變壓器樣機(jī)如圖13所示。采用3259高頻變壓器測(cè)試儀對(duì)樣機(jī)分布參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試結(jié)果見表2所示。將高頻變壓器樣機(jī)及其他電子器件焊接至開關(guān)電源PCB樣板制成開關(guān)電源樣機(jī)。最后將開關(guān)電源樣機(jī)與外圍電路連接并進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試得到高頻變壓器效率達(dá)99.4%,開關(guān)電源整體效率達(dá)90.3%。測(cè)試結(jié)果表明:分布參數(shù)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。并且設(shè)計(jì)的高頻變壓器效率滿足超過95%～98%的常規(guī)設(shè)計(jì)要求[13],高頻變壓器及開關(guān)電源均具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

表2 樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文首先從理論上分析了高頻變壓器中,簡易繞制結(jié)構(gòu)、三明治繞制結(jié)構(gòu)和交叉繞制結(jié)構(gòu)以及不同層繞組以U型和Z型方式連接對(duì)于漏感及分布電容的影響,接著在Ansoft Maxwell軟件中建立不同繞制結(jié)構(gòu)以Z型方式連接的高頻變壓器模型,對(duì)不同絕緣層厚度下的分布參數(shù)及功率損耗進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果表明:以三明治結(jié)構(gòu)繞制且在不同層繞組連接處以Z型方式連接的高頻變壓器功率損耗在絕緣層厚度為1.1 mm附近時(shí)達(dá)到最低。最后對(duì)設(shè)計(jì)的高頻變壓器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試得到的分布參數(shù)與仿真結(jié)果一致且高頻變壓器能量轉(zhuǎn)換效率高。