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关于开关电源变压器的优化设计

来源:985论文网 添加时间:2020-05-12 13:58
摘要
随着电子信息技术的发展,各种电子设备发展迅速。随着电子设备的不断升级,对电子设备的供电提出了新的要求,要求电源模块必须小型化、轻量化和高度可靠。实现这一目标的关键技术是高频开关电源,高频开关电源转换器是开关电源的主要组成部分。因此,高频变频器的优化设计是实现电源系统小型化、轻量化和高可靠性的关键。随着频率的增加,高频必然会带来皮肤效应和接近效应。这些高频效应产生的漏感、交流电阻和分布电容将大大增加开关电源的损耗。当泄漏电感和分布式电容器中的能量释放时,不可避免地会出现危及开关电源正常工作的峰值电压,大大降低开关电源的性能。本文主要分为三个部分,本文第一部分主要阐述了研究背景与研究意义、研究内容、国内外研究现状。本文第二部分主要针对变压器的设计与Maxwell 3D仿真进行分析,包括平面变压器的设计、Maxwell 3D仿真软件、平面变压器的Maxwell 3D仿真等。本文第三部分主要对平面变压器的优化设计进行分析,包括多学科设计优化、优化设计的方法、平面变压器的设计结果等。
关键词:变压器;Maxwell 3D;涡流场
 
第1章 绪论
1.1 研究背景与研究意义
1.1.1 研究背景
随着电子信息技术的发展和信息社会的到来,多媒体已经进入了数百万个普通家庭。随着包括家用电器在内的各种电子设备的迅速普及,对开关电源的小型化、轻量化和可靠性提出了更高的要求。增加开关电源的频率可以提高其功率密度,从而降低开关电源中磁元件的体积和重量。高频的设计分为两部分:一是电路设计,二是磁路设计。目前,随着功率半导体晶体管技术和电路集成技术的发展,开关电源的电路设计已经相对成熟,而磁路的设计则比较复杂,研究相对较少。因此,在高频开关电源的工程设计中,真正的难点在于磁路的设计。变压器是高频开关电源的主要磁性元件。因此,高频变压器的设计是实现高频开关电源轻量化、小型化、可靠性提高的关键因素。
1.1.2 研究意义
开关电源由于体积小,重量轻,效率高,发热量低,性能稳定等优点,已广泛应用于工业,民用和军用电子设备的各个领域,成为现代电子设备的重要组成部分。近年来已成为世界主要国家特别是发达国家的研究热点。其发展趋势和目标是不断提高频率和功率密度。高频变压器是开关电源的核心部件,是实现能量转换和传输的主要设备,也是开关电源体积和重量的主要用户和发电机,一般占开关电源总容量的25%,占总重量的30%以上。随着开关电源频率的提高,变压器配电参数对电力系统性能的影响越来越重要。同时,大功率引起的绝缘和散热问题增加了高频变压器的设计难度,成为影响开关电源系统使用寿命和可靠性的重要因素。因此,高频变压器的优化设计是实现开关电源高频高功率密度目标的关键。
1.2 研究内容
本文主要分为三个部分,本文第一部分主要阐述了研究背景与研究意义、研究内容、国内外研究现状。
本文第二部分主要针对变压器的设计与Maxwell 3D仿真进行分析,包括平面变压器的设计、Maxwell 3D仿真软件、平面变压器的Maxwell 3D仿真等。
本文第三部分主要对平面变压器的优化设计进行分析,包括多学科设计优化、优化设计的方法、平面变压器的设计结果等。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
国内起步较晚,与开关电源相关的基础工业设备相对落后,缺乏对高频开关电源的深入系统研究和技术支持。然而,近年来,国内许多科研机构和企业对开关电源理论做了大量的研究和实践,例如电子科技大学对开关电源的建模、仿真设计和拓扑结构做了大量的研究和实践。它已经连续研究了几年,取得了良好的效果。清华大学对开关电源动态优化设计进行了深入的研究和探索。国内还有其他高校和科研机构也对开关电源的反面进行了深入的研究,但对高频变压器的研究仍然不足,受到磁性材料性能的限制。所以我国的开关电源一直无法实现高频和轻型电子设备的小型化和可靠性的提高。限制了我国电子设备的升级换代,因此研究高频开关电力变压器势在必行。
1.3.2 国外研究现状
在20世纪60年代之前,人们通常使用线性调节的直流电源,但当晶体管串联时,它们的损耗将变得非常大。而且,在工频运行条件下,变压器体积大,重量重,直接导致其效率低,难以实现电源的小型化。其功率密度一般为0.2-0.3w。在20世纪60年代,开关电源取代了线性电源。具有高功率密度,电压稳定范围广,功率转换效率高,重量轻。在20世纪80年代,IBM公司在美国提出了平面变压器技术,广泛应用于便携式电子设备、卡式UPS电源等高密度电源。目前,世界上大多数发达国家的许多研究所和学校正在研究高频开关电源,并取得了良好的效果。在理论研究方面,加州理工学院提出的准共振开关变压器综合分析方法在理论分析中具有代表性。麻省理工学院采用有限元方法分析了1-l0mhz变压器的损耗,而GE对气隙与高频磁路的关系做了大量的研究。目前,0.5-3m hz高频开关电源在国外得到了广泛的应用,200-500k hz已成为功率在100W以下的开关电源的频率标准。开关电源功率密度正朝着120W/in3的目标发展。
 
第2章 变压器的设计与Maxwell 3D仿真
2.1 平面变压器的设计
2.1.1 平面变压器设计原理
平面变压器与传统绕组变压器的区别在于铁芯与绕组的区别。平面变压器通常使用小型E型或RM型和环形磁芯。铁氧体磁芯采用高频高功率密度铁氧体材料制成。高频时磁芯损耗相对较低。平面变压器绕组采用多层印刷电路板。本设计具有以下优点:功率密度大,因此其体积很小,约占传统缠绕变压器的20%;工作效率高,通常为97%-99%;工作频率高,从50K Hz到2MHz;漏感低,小于0.2%;且电磁干扰小。
(1)工作磁通密度
在平面变压器高频运行中,会出现铁氧体铁芯损耗和绕组铜损。这些损耗将转化为热量,从而提高变压器的温度。为了避免变压器等电路元件因高温而损坏,变压器的最高温度必须小于一定的限值。变压器总损耗PE与温升△T的关系可表示如下:
 
其中R为变压器的热阻。由于平面铁氧体铁芯的绕组窗口空间是固定的,平面变压器的温升也与铁芯的工作磁通密度有关,因此可以计算铁氧体铁芯工作磁通密度BM的值。如果变压器的铁芯损耗是总损耗的一半,则最大铁芯功率损耗密度pcore与平面变压器温升△T的经验关系如下:
 
式中VE的单位为cm3。通过测量可以知道铁氧体磁芯的功率损耗密度与变压器的工作频率F,工作磁通密度BM和环境温度T有关。因此,铁芯损失密度可以表示为:
 
将公式代入整理后,工作磁通密度Bm可表示为:
 
(2)变压器的绕组结构
通过确定工作磁通密度BM,可以根据变压器的拓扑结构和类型计算变压器的一次绕组和二次绕组的匝数。
 
图1  绕组的导体宽度wt,匝间距s及绕线窗宽度bw
平面变压器通常用于低压和大电流。它的二次侧通常用于通过并行使用多个绕组层来提高电流承载能力。因此,根据要输出的电流,选择的PCB的铜厚度和允许铜导体流过的最大电流密度,可以计算出变压器二次侧并联连接的绕组层数。在确定平面变压器一次和二次侧的匝数后,接下来应确定变压器的绕组结构。首先要确定的是平面变压器绕组层的堆叠方案。流过导体的电流会造成损耗,增加PCB的温度。为了减少热效应,避免局部热点迫使PCB膨胀变形,PCB各层上的铜涂层应对称分布。因此,平面变压器绕组叠加的最佳方法是采用一次侧和二次侧交替的方法,以减少绕组层之间的接近效应。然后,可以通过电流值、最大电流密度和选定的核心尺寸来确定PCB上铜涂层的宽度wt。同一层线圈之间的距离应由制造商的生产水平和变压器的生产成本决定。一般35m铜厚绕组的匝距应大于150μm,而70μm铜厚绕组的匝距不应小于200μm。因此,为了实现平面变压器的最佳设计,应考虑以下几个方面:铁氧体铁芯绕组的窗口空间,实际设计过程中绕组匝数和PCB的制造技术水平。
敷铜宽度wt可由以下公式计算:
 
其中B为铁氧体磁芯的绕组窗口宽度,N为同一绕组层上线圈匝数,为线圈匝间距,如图所示。此外,PCB的铜涂层与铁氧体磁芯的内外柱之间的距离不应小于400μm,因此应将磁芯绕组窗口的宽度改为减去800μm,方程可改写如下:
 
(3)PCB绕组温升
最后,为了计算平面变压器PCB上绕组的温升,验证设计的合理性,应首先计算变压器一次和二次侧的电流均方根值。图2显示了PCB覆铜截面积、流过电线的电流和温升之间的复杂关系。当接近效果不明显时,可以直接用图2初步确定PCB的温升。
 
图2  导线的截面积、电流值与温升之间的关系
图2所示的电流是直流的。然而,流过PCB绕组铜涂层的电流是高频交流的。高频引起的皮肤效应和接近效应会降低铜涂层的有效截面。皮效应导致导体中心电流密度降低,导体表面电流密度增加。然而,当绕组上的铜涂层厚度小于皮肤深度的两倍时,皮肤效应可以忽略不计。此外,当平面变压器的一次绕组和二次绕组交替堆叠时,可大大减少接近效应的影响。为了估计PCB通过高频交流电流的温度升华,在工程应用中通常采用经验算法。先计算PCB通过同一有效值直流电流的温度升华,再增加温度升华。交流电流的工作频率每增加100k Hz,直流电流计算的PCB尺寸将增加20c。然而,该算法不使用高于1MHz的交流电流工作频率。在估算PCB绕组温升后,加入公式计算的平面变压器铁芯温升。若两者之和不超过规定温升,则平面变压器初步设计已完成。然而,当平面变压器的最终计算温升超过限值时,有两种降低温升的方法。一是更换变压器铁芯,增加绕组窗口宽度。另一种方法是增加PCB平行绕组的层数或在铁氧体磁芯的绕组窗口仍有空间时增加铜涂层的厚度,并采用适当的一次和二次侧。绕组以交叉方式重叠,以防止明显的接近效应。总之,这两种方法都是为了降低绕组铜的电流密度,从而降低绕组的铜损耗。总之,平面变压器的设计过程如图3所示。
 
图3  平面变压器的设计流程图
2.1.2 平面变压器的设计实例
设计了单端正变流器。它的指定输入电压为48V,输出电压为V=SV,输出电流为I=10A,工作频率为f=300k Hz,占空比为Dmax-0.5,最高允许温升为△T=50℃。平面变压器中的参数计算如下。根据变压器输出电感的第二电压平衡方程和同步整流原理,通过下面的公式可以得到变压器二次绕组的最小电压Vs。
 
在公式中,和总是转换周期。然而,由于功率开关的上升时间TR、下降时间TF和延迟时间T是未知的,所以三次之和可以设置为周期的3%左右,并代入公式。
 
计算得出输出电压的最小值,那么变压器的匝比值h可由下式计算
 
为了使铁芯的损耗密度小于公式的结果,铁芯的工作磁通密度必须小于82.9mt。
 
图4  铁芯组合E-PLT32的结构
综上所述,一次绕组电流有效值为1.18a,铜镀层宽度为8.2mm,厚度为0.07mm。根据图所示,可以发现一次绕组温升小于100℃。同样,二次绕组电流的均方根值为3.23a,导致温升约100C,加上一次绕组的温升,温升为6。按300k Hz的工作频率提高,然后温升不高于30%。平面变压器铜损引起的,最后,考虑到上平面变压器铁芯损耗引起的温升,整个变压器温升约为50℃,故E-PLT32组合铁芯满足设计要求。然而,由于平面变压器的二次绕组的电流高于其他绕组,因此将二次侧放置在顶部以增加散热条件。此外,平面变压器的优化设计将在后面描述。根据PCB的材质和厚度,初步确定四层PC B绕组之间的距离为400μm,对绕组之间的距离进行优化分析,减少寄生效应,提高平面变压器的效率。最后的设计结果如下:由于输出是低电压和大电流,所以PCB绕组可以很宽,以满足大电流的要求。平面变压器具体参数如下:采用的铁芯结构为E-PLT32复合铁芯,具体详细结构参数如图所示。磁芯的唯一材料为铁氧体3F3,变压器匝数比为4,变压器二次绕组为1层-1,一次绕组为4层,按螺旋结构串联4层,但每层只有一个匝,一次绕组和二次绕组的铜涂层宽度为8.2mm,PCB厚度为0.07mm,一次绕组和二次绕组之间的间隔为400m,平面变压器的励磁电感为289.1h。
2.2 Maxwell 3D仿真软件
2.2.1 Maxwell 3D的主要功能与流程
Maxwell 3D是一款功能强大,精确,易用的三维电磁场有限元分析软件。包括静场,时变场,静磁场,时变磁场,涡流场,暂态条件下的温度场计算等,可用于分析静态,稳态,暂态,正常运行电机,变压器,传感器,励磁机,永磁设备等电磁设备的故障特性。它主要有以下分析方法:
三维静电场场:主要用于分析静电电荷和直流电压引起的静电场。该模块主要用于计算电势,得到电场强度,电势偏移矢量,电场能量,电场力,电容值,转矩等。可用于分析直流高压和直流电源的绝缘问题。
三维直流磁场:用于分析恒流、永磁体和外部激励产生的磁场。该模块主要用于计算磁场强度,电流密度,磁感应强度等。可用于直流线圈和永磁体的磁场分析。
涡流场:用于分析受涡流、皮肤效应和接近效应影响的系统。能解决0到数百MHz的频率范围,并能计算损耗,铁损,电感,力,转矩和储能。可用于分析导体中涡流分布,三维正弦电磁场特性。
瞬态场:一种用于求解用于移动波形和任意波形的电压和电流源的激励的装置。该模块可以同时求解磁场,电路和运动的强耦合方程,因此可以很容易地解决上述设备的性能分析问题。
 
图5  Maxwell 3D的工作界面
Maxwell 3D是电磁场分析软件的主要工作界面。电磁场模拟的主要过程如下:求解器选择:Maxwell 3D电磁场分析模块主要包括以下内容:涡流场求解器,静态磁场求解器,静电场求解器,恒定电磁求解器,交变电场求解器,温度场求解器等。可以根据分析对象的不同工作特点选择合适的求解器。
创建分析对象的几何模型:Maxwell3D提供了非常强大的绘图功能,方便用户创建分析对象的设置模型。
设置材料性能:Maxwell 3D材料库提供足够的材料物理性能。用户还可以创建自己的材料库,这对于设置分析对象的材料属性非常方便。
边界条件和激发源的设置:Maxwell3D是一种专业的电磁场分析软件。边界条件和激发源的设置非常简单。此外,不同媒体之间的接口的切线和法线边界条件不需要自己设置,这是软件的默认边界条件。
设置解决方案选项:解决方案选项主要包括启动网络设置、求解器残差、操作频率等。
解决方案分析:用户可以在解决过程中观察收敛情况,并随时监视解决过程。
后处理:Maxwell3D具有很强的电磁场后处理能力。例如,它可以以云图或矢量图的形式给出磁场线、磁通密度和磁场强度的分布图。本文针对平面变压器的Maxwell 3D仿真,主要采用两种求解器,即涡流场仿真和静电场仿真。
2.2.2 涡流场仿真分析
Maxwell 3D涡流有限元分析主要可以分析涡流,皮肤效应和接近效应。例如,本文的平面变压器优化设计可以分析变压器的整体特性、绕组线和涡流场。此外,它还可以自动控制变压器损耗、阻抗值、转矩、力、电感值和不同工作频率下的储能等一系列参数。功率损耗可直接用于温度场分析。此外,还可以得到全相的磁力曲线、B和H分布图、电流分布图和能量云图。
(1)阻抗矩阵
在进行了一些设置并完成了Maxwell 3D涡流场的分析后,可以得到图6作为模型的阻抗矩阵。事实上,阻抗矩阵是多导体系统中交流电压与电流关系的综合表示。
 
图6  变压器等效电流环
图6中的两个电流环,它们的电压与电流的关系可表达为
 
变成矩阵的表达式有
 
如上所述,阻抗矩阵给出了两个电流环的电压和电流之间的综合关系。一般情况下,如果电子器件有n个电流环,则阻抗矩阵将是nxn矩阵。
(2)寄生参数的提取
在分析麦克斯韦的三维涡流场后,将得到等效电路模型中的阻抗矩阵,然后得到除FIG中电容器外的所有其他部件的详细参数值。由于在Maxwell 3D涡流场的仿真和分析中没有考虑分布电容的影响,因此可以屏蔽所显示的三个电容元件,并且可以得到剩余电路的电压和电流之间的关系如下:
 
整理后得:
 
改成矩阵的形式得
 
其中
 
由于所分析的两个电流环是相同的,因此等于公式,所以除了图中的电容器元件外,其他元件的详细参数值如下:
 
这样就可以得到平面变压器等效电路中阻抗的详细参数:RC是铁损的等效电阻,LMAG是原边电感(即励磁电感),Rac1、Rac2是等效电感。一次绕组和二次绕组的引线损耗L1和L2是一次绕组的漏感。
2.2.3 静电场仿真分析
Maxwell 3D中的静电场分析可以用来计算电荷和电压静态分布引起的静电场。静电场模拟器可以自动计算静电场密度和磁通密度。力,能量,扭矩和电容可以从这些基本场值计算。
(1)电容矩阵
一般来说,电容器代表可以存储在结构中的静电能量。表达方式如下:
 
式中,Ue为静电储存的能量;c是电容,单位为F(C/V);v是绝缘介质两侧的电压值。那么通过上式就可以计算出电容值,公式如下:
 
通过一系列的设置,完成了Maxwell 3D静电场模拟分析,然后完成了FIG所示模型的电容矩阵,可以得到图6。此外,电容矩阵是导体系统中电压V与电荷Q的综合关系,其表达式如下:
 
改成矩阵的形式,如下:
 
 
图7  3个导体构成的系统
 
那么公式就可以改成
 
如上所述,电容矩阵表示电荷量与三个接地导体的电压值之间的关系。电容矩阵为3×3维。若有n个导体,则电容矩阵可改为nxn维。
(2)寄生参数的提取
通过Maxwell 3D静电场分析,我们可以得到平面变压器的2x二维二维分布电容矩阵,然后根据上述计算公式,我们可以得到图中所示的三个分布电容的详细参数。参数提取过程如下:
 
最后,通过上述阻抗矩阵和电容矩阵,得到平面变压器等效电路中的所有参数,为下面的saber仿真做充分的准备。通过在SABER软件中建立平面变压器原理图,可以观察和检测优化目标的参数,进而进行优化设计。
2.3 平面变压器的Maxwell 3D仿真
 
图8  Maxwell 3D建立的平面变压器模型
从上述得到平面变压器的等效电路模型后,本节主要对平面变压器进行Maxwell 3D仿真分析。通过对涡流场和静电场的仿真分析,可以解决平面变压器的所有寄生参数,进而建立等效电路模型,便于平面变压器设计的优化。
(1)涡流场仿真结果
如图所示,平面变压器三维仿真模型如图所示。平面变压器模型的详细参数如下:铁氧体磁芯E-PLT32的详细结构参数如图所示。平面变压器一次绕组和二次绕组的宽度为8.22mm,厚度为0.07mm。平面变压器的一次绕组和二次绕组为4层,螺旋串联。二次绕组为1层,每层只有一次旋转。原二次绕组与铁芯间距为0.4mm,各层绕组间距也暂定为0.4mm。解决步骤如下:
在创建模型后,选择求解器类型:Maxwell>Solution Type>Eddy Currento,然后设置模型的材料属性,如图所示。选择不同材料的组织结构,然后通过界面搜索所用材料的名称。绕组类型为铜,铁芯结构类型为铁素体,背景为真空。他们在Maxwell 3D中的详细数据如下:铜导体的电导率为5.8x10s/m,相对介电常数(即相对介电常数)为1,相对磁导率为0.99999;背景为真空,相对磁导率为1,电导率为0,相对介电常数为1。铁氧体3F3的相对介电常数为12,电导率为0.01s/m,最大渗透率为4000H/m。
 
图9  设置材料属性
经过上述步骤,可以通过仿真得到平面变压器的一次侧和二次侧的阻抗矩阵,如图所示。对于平面变压器中的等效电路,通过公式可以得到解。
 
图10  涡流场仿真结果
图10涡流仿真结果可以很清楚地读出,平面变压器的阻抗矩阵Z:为
 
由式便可求得
 
 
第3章 平面变压器的优化设计
3.1 多学科设计优化
在工业产品和系统的设计中,常见的优化问题是在一系列约束和控制变量下对最大(或最小)目标进行优化。企业都希望获得最可行的产品设计方案,使自己的高科技产品在降低成本的同时能够继续保持或提高性能。然而,由于产品设计过程中许多复杂的多学科相互作用问题,人脑无法充分考虑它们。如果不使用计算机进行优化设计,就很难大大提高产品的质量和性能。对于多学科优化问题,每个学科都包含一个或多个物理定律,这将不可避免地导致分析代码的增加。因此,在产品设计中,有必要对不同标准的优化问题进行协调和分析。其复杂性主要分为以下几个方面:
优化设计问题正逐渐成为一种具有多种决策策略的分布式行为;
产品的寿命可以通过产品的属性和子系统来估计;
可以通过将复杂的分析系统分解成几个独立的MDO来调整。
在每个子系统中,可以使用公式来定义其概率和不确定性。如果我们依靠人们的工作经验来优化产品设计,不仅费时费力,而且更容易出错,而且很难从复杂的大规模优化问题开始,更难考虑各学科之间的灾难和妥协。
将整个系统作为传统优化算法的整体,需要在每个迭代项目中重复完整的多学科分析,使得每个迭代过程中不能保证每个学科的可行性,从而导致优化分析不可行领域的问题,甚至直接导致学科分析任务的失败。此外,为了优化跨学科设计,必须有一个多学科的设计环境,必须满足以下三个条件:综合自动化设计框架;各种探索和解决工具;网络分发和协作。
3.2 优化设计的方法
3.2.1优化设计的路线
视距可以自动实现Maxwell 3D和Saber仿真软件之间的数据交换,通过软件中现有的算法调整设计中的变量,监控两个软件的运行状态,优化运行结果,最终选择设计中最佳的平面变压器设计项目系列。图11显示了iSIGHT软件的集成优化过程。首先,对平面变压器等效模型进行麦克斯韦三维涡流场仿真和静电场仿真。根据计算结果,计算平面变压器的所有寄生参数(阻抗矩阵和分布电容矩阵)。然后将计算得到的平面变压器寄生参数代入剑中变换器等效电路,然后对整个变换器电路进行仿真分析。同时对开关管两侧电压峰值进行监测,ISIGHT软件完成迭代过程。在手动完成迭代分析过程后,iSIGHT软件将根据设定的优化算法调整变压器的一次绕组与二次绕组之间的耦合程度。调整绕组间距C,然后重新启动下一次迭代过程,直到达到最佳设计方案,得到开关管两侧最小电压峰值。通过这些软件,可以使变压器的漏感和分布电容尽可能小,从而避免产生峰值电压,破坏开关管的正常工作,达到平面变压器的最佳设计目标。。
 
图11  iSIGHT软件集成优化流程图
 
图12 平面变压器优化设计流程
3.2.2 优化设计结果
为了验证平面变压器优化设计方法的可行性和可靠性,利用第三章基本完成的设计方案制作了单端正向DC-DC变换器,并给出了设计方案的原理图。如图所示,在saber中创建转换器。采用iSIGHT软件搭建Maxwell 3D与saber软件之间的数据交换平台。通过两个软件的迭代优化,可以找到平面变压器一次绕组与二次绕组距离的最优值,从而最小化开关电源的寄生参数。此时开关管Q main两端的电压峰值最小,从而实现平面变压器的优化设计目的。开始我看。这一优化设计的流程图如下,将详细说明如下:
 
图13  iSIGHT的任务流程
详细的iSIGHT软件的操作过程如下:首先,第一个Maxwell3D和sabe:仿真应该手动进行,这在本文中有详细的描述。然后,我们需要建立iSIGHT的脚本文件,并实时监控两个仿真软件。任务规划流程如图13所示。集成Maxwell 3D和sabe:软件后,iSIGHT软件将根据脚本文件自动对平面变压器进行仿真和迭代,优化参数。本文仅选取一次绕组与二次绕组的距离C作为平面变压器优化设计的设计变量,选择开关qmain两侧的电压峰值min作为优化目标。绕组间距C的变化会产生不同的漏感和分布电容。当开关断开时,漏感和配电电容器将释放存储的能量,这将在开关管Qmain上产生不同的电压峰。经过多次迭代,iSIGHT软件可以从迭代结果中选择跨开关管Qmain电压峰值最小的平面变压器设计方案。详细的iSIGHT软件流程如下:选择iSIGHT的sim code组件,流程图中的“pingmian”是iSIGHT迭代任务的名称。迭代过程如下:首先对Maxwell 3D涡流场仿真进行复位(“恢复”),然后迭代任务“pingmian”启动Maxwell 3D涡流场仿真(“涡流”)。在仿真过程中,从结果中提取变压器的交流电阻和漏感(“RL”)值,然后麦克斯韦开始执行三维静电场复位操作(“恢复2”)和静电场模拟分析(单元)。在第三章的方法中,得到了平面变压器中的分布电容(c),最后将新的寄生参数应用到saber上。草图中平面变压器等效原理图改变。最后,对整个变换器电路(“Sabre”)进行了仿真和分析,以监测开关管两侧的电压峰值,并判断约束带。到目前为止,我发现软件已经完成了迭代。然后,根据i-sight软件中选择的数值优化方法中的外部点的惩罚函数方法,重新定义绕组足够大,并进行下一次迭代,将其设置为0.1V,开关管的电压值稳定,然后完成优化目标。
 
图14  迭代仿真结果
经过几次迭代,可以绘制出结果,如图所示。由此可读出开关管Q main电压峰值最低时的最佳设计方案。从FIG中可以看出,在不同的绕组间距下,14(A)、漏感吞1和配电电容器C向相反方向变化。当绕组间距C很小时,漏感也很小,但分布电容的值变化很大,导致开关管Q main的峰值电压很大。但随着变压器绕组间距的增大,开关的峰值电压不会降低。通过将开关两侧的峰值电压定义为最小设计优化目标,iSIGHT软件找到了实现这一目标的最佳绕组间距,如图14(B)所示。从图中可以看出,ISIGHT软件第21次迭代的绕组间距可以达到最小化开关管峰值电压的优化目标。本次迭代的绕组间距为0.761054mm。
 
图15  Qmain两端的电压峰值波形
列出了22次迭代中寄生元素的详细参数值。从表中可以看出,平面变压器的一次绕组与二次绕组之间的距离变化对一次侧漏感值Li和二次侧分布电容值C的影响最大。当开关管断开时,这些寄生参数会释放存储的能量,开关管两端产生的电压峰是不同的。我们可以从中选择设置,使开关两端的电压峰值通过计算参数来完成平面变压器的优化设计。在第21次迭代中得到的设计方案是最佳的优化结果,跨开关管Qmain的电压峰值波形如图所示。此外,从图中可以看出,当开关元件被关闭时,由于存储在寄生参数中的电容的释放而产生电压尖峰,电压与输入电压叠加,从而使高频和高压变压器的开关管Q main的两端都会产生电压尖峰。通过变换器的核心复位电路释放寄生参数存储的能量,然后电压尖峰逐渐减小。由于开关周期短,在峰值电压下降到输入电压值之前关闭开关管。为了保证变换器各周期内寄生参数所存储的能量能够充分释放,避免逐渐累积较大的峰值电压,变换器的占空比应小于0.5。从FIG中可以看出优化前后开关管电压峰值明显不同。优化后,下变压器(如平面变压器)中矛盾的漏感和分布电容平衡。此时寄生参数最小,当存储容量释放时,它们引起的峰值电压降低,损耗也降低,工作效率提高。优化后,开关管两端的峰值电压降低约27V,开关管两端的峰值电压降低,对开关管损坏的风险降低,起着非常重要的作用。对开关电源的安全正常运行起着重要作用。同时减少了开关电源的损耗,提高了效率。
3.3 平面变压器的设计结果
最后,通过优化一次侧与二次侧绕组之间的距离,可以得到开关管最小峰值电压的变压器设计方案。此时,冲突的漏感和分布电容被平衡,平面变压器的总寄生参数也被最小化。然后,这些寄生参数造成的损失将减少,提高变压器的效率。总之,通过本次优化设计,可以得到平面变压器的最佳设计方案。参数如下:芯材结构为E-PLT32型复合芯材,具体详细结构参数如图3.5所示。磁芯的唯一材料为铁氧体3F3,其详细参数见表3.1。平面变压器匝数比为4,变压器二次绕组为1层和1层,一次绕组为4层。一次绕组和二次绕组的铜宽为8.2mm,PCB厚度为0.07mm,一次绕组层和二次绕组层之间的距离为0.761054mm,整个变压器的励磁电感为252。此时,开关管两侧的电压尖峰为145.28v,比优化前的172.41v小约27v,从而降低了开关管的开关损耗和损坏开关管的风险。极有助于提高开关电源的性能,达到优化设计的目的。
 
结 论
随着电子信息技术的发展,越来越多的电子设备需要越来越多的电力供应。供电质量直接影响电子设备的正常运行。随着电子工业的快速发展,电子设备不断对供电效率提出新的挑战。目前,开关电源主要朝着“轻、小、薄、高效”的目标发展。为了实现这一目标,有必要研究开关电源的高频技术。实现高频开关电源的关键是高频变压器的设计。本文主要分析了高频运行下开关电源变压器的参数。本文对铁芯的损耗进行了详细的分解。磁芯的形状直接关系到绕组方式和电磁场的几何分布,对变压器的整体性能有着重要的影响。然后,分析了绕组损耗因素之间的关系,对绕组的选择和绕组方式具有重要意义。最后,对变压器中的寄生参数进行分析,以减少高频效应引起的寄生参数,保证电源的稳定运行。本文也存在一些不足。首先,在Maxwell 3D仿真中,铁氧体铁芯,铜线和PCB板的参数是固定的,这将影响实际平面变压器的设计,因为不同的制造工艺和结构会使它们的参数不同,仿真结果也会不同。今后的工作方向是:在优化仿真过程中引入偏差值,使材料和结构性能的偏差在一定范围内,从而提高优化设计方法的实用性和可靠性。设计有利于优化仿真研究,没有对设计方案进行物理测量和验证,也缺乏对平面变压器优化方案的实际效果的测量。希望今后加强此项进度,完成项目任务目标。
 
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