应用于LLC变换器中平面型非整数匝变压器

)如图3.5所示，非整数匝变压器的总损耗与边柱张角之间存在一定的关系，并且占地面积和总损耗成反比关系。这意味着，随着占地面积的增大，功率密度会下降，从而可以降低总损耗。因此，在进行变压器的设计过程中，必须在功率密度和效率之间进行折中优化。根据目标可知，在占地面积大于一定数值后，损耗下降的趋势会变得缓慢，因此可以通过优化变压器的占地面积来实现最佳效果。在本设计中，选择变压器的占地面积为1225mm2，即在最佳效率和功率密度之间进行权衡和优化。图3.5非整数匝变压器的总损耗与边柱张角关系表3-1列出了占地面积为1225mm2时，边柱张角α分别为25°、35°和45°时中柱磁通密度Bm和损耗的参数。在变压器设计中，随着边柱张角α的增大，磁芯面积增大，导致中柱磁通密度Bm随之减小，从而磁芯损耗减小。但这样会导致绕组线径减小，交流电阻增加，绕组损耗增加。因此，在变压器设计中需要在绕组损耗和磁芯损耗之间进行权衡和优化。如图3.6所示，是非整数匝变压器占地面积为1225mm2时，绕组损耗、磁芯损耗和总损耗随边柱张角的分布关系图。可以看出，总损耗的曲线呈现抛物线形状，当边柱张角α为36°时，总损耗最小，为9.52W。通过这些参数，可以计算出图3.6中非整数匝变压器磁芯的各个参数。这种表述方式可以更好地理解变压器设计中各个参数之间的关系，为制造优化提供指导。

表3-1不同边柱张角下的变压器特征参数25354559.246.738.1绕组损耗(W)4.695.847.48磁芯损耗(W)5.843.702.50总损耗(W)10.539.549.98图3.6固定占地面积下损耗与边柱张角关系根据3.3节内容综合所述，非整数匝变压器的最佳排布方式是采用副边同电势端合并的交错排布结构。在考虑功率密度和效率的折中权衡后，确定了非整数匝变压器占地面积为1225mm2和边柱张角为36°时总损耗最小，并从而确定了非整数匝变压器的各个参数。上述参数可以通过表3-1中的数据进行计算，并用于图3.4中设计非整数匝变压器的磁芯。

仿真与分析本章节使用ANSYS公司的Maxwell、Workbench和Simplorer电热磁仿真软件对非整数匝变压器进行仿真分析。ANSYS仿真原理ANSYSMaxwell是一个强大的电磁场仿真软件，可用于解决电磁场、电机、电器和传感器等各种问题。它基于有限元分析（FEA）技术，可以预测电磁场中物体的行为和性能。该软件支持多个电磁场模型，包括静电场、电磁感应、磁力学等等。此外，它还提供了许多工具和功能，如模型创建、导入和导出文件、分析结果可视化等，使用户能够更好地分析电磁场问题。ANSYSMaxwell仿真包括：磁场仿真和静电场仿真。磁场仿真磁场仿真是一种电磁场仿真技术，用于预测磁场中物体的行为和性能。它可以帮助工程师和科学家设计和优化各种设备，如电磁驱动器、电机、磁铁和传感器等。在磁场仿真中，通常采用有限元分析（FEA）技术对模型进行建模和分析。模型通常包括磁场的边界条件、材料属性、几何形状等信息，这些信息可以在仿真软件中设置。仿真软件将模型分解为许多小区间，每个小区间都通过方程来描述其磁场状态。在求解过程中，这些方程被转换成代数形式，并通过线性算法求解，以得到给定条件下的磁场分布。用户可以使用仿真软件分析和评估这些分布，以获得有关磁场的信息，如磁感应强度、漏磁场、磁场分布等。磁场仿真的应用广泛，例如在电机设计和评估中，可以使用磁场仿真来预测电机的性能和效率。在磁铁和传感器设计中，可以使用磁场仿真来优化其磁性特性。此外，在电磁兼容性测试中，磁场仿真也可以用于评估设备的磁场辐射和对外部磁场的抗扰性。静电场仿真静电场仿真是一种用于预测电场中物体行为和性能的电磁场仿真技术。与磁场仿真不同的是，它主要关注静电场和电荷分布的影响和行为。在静电场仿真中，使用有限元分析（FEA）技术来分析和控制静电场问题。在建立模型时，需要考虑影响电场的物理属性，如电荷的大小和分布、几何形状、与其它物体的边界条件等。在求解问题时，通过方程式描述每一部分的电场状态，然后将建模区域划分成多个小单元，对每个小单元内的方程式进行求解。软件会将方程转化为矩阵方程，并使用各种求解器算法对方程组进行求解。在得到电场分布的计算结果后，可以对模型进行分析和评估，以了解电场中的变化和行为。静电场仿真在工程学和科学中应用广泛，例如在电器和电子设备设计过程中，可以使用该技术预测电荷和电场分布，以评估设备的性能和可靠性。在生物医学工程领域中，可以利用静电场仿真来设计和优化电荷或电场刺激装置，以应对身体不适或缺陷。电磁联合仿真ANSYS联合仿真包括Maxwell和Simplorer进行电磁仿真以及Maxwell和Workbench进行热磁仿真。电磁仿真主要分为三个步骤，包括在Simplorer中搭建电路模型，将变压器模型导入Simplorer中，然后进行仿真求解。电磁仿真能够更加精确地模拟变压器的工作情况，提高预测结果的可信度。为检验所设计的非整数匝变压器的绕组结构是否能够实现磁通平衡，并验证其原边绕组与副边绕组的匝数比是否符合理论推导，需要进行电磁联合仿真。使用Maxwell3D瞬态场求解器进行仿真，将激励方式改为外电路（ExternalCircuit）后，软件会自动将原边绕组和副边绕组建模为电感的结构。其中LWinding1表示原边绕组，LWinding2和LWinding3表示其中一对中心抽头的副边绕组。在原边侧加入值为58nF、频率为1MHz、幅度为384V的方波发生器作为谐振电容；在副边侧，同步整流管被替换为二极管以方便控制，负载电阻为0.144Ω，以产生1kW的功率。此电路模拟了半桥LLC变换器的实际工作状态。图4.1外电路结构图4.2（a）和4.2（b）分别显示了原边绕组和副边绕组的两端电压，两者的电压比为16:1。这表明尽管原副边绕组是4:0.25的非整数匝比，它仍然能够实现传统变压器通常具有的整数匝比的功能。图4.2（c）显示了原副边绕组中的电流。无论是在正半周期还是在负半周期内，副边绕组环路中的电流都能够均匀地分布。这表明副边并联环路的寄生电阻和寄生电感误差确实在很小的范围内，不会对电流平衡造成明显的影响。（a）原边绕组两端电压（b）副边绕组两端电压（c）原副边绕组电流图4.2非整数匝变压器工作波形图4.3展示了非整数匝变压器磁芯的磁感应强度分布云图和矢量图。磁感应强度分布对称均匀，表明中柱产生的磁通均匀地流向四个边柱，说明该变压器的绕组结构实现了磁通平衡。但是，由于曲率效应，在中柱边缘处磁力线分布密集，磁感应强度较大。在磁芯边缘处，磁力线几乎不到达，磁感应强度很小。然而，四个边柱的磁感应强度大约在42~48mT之间，与计算得到的47.16mT非常接近。(a)云图(b)矢量图图4.3非整数匝变压器磁芯磁感应强度分布

总结与展望总结平面型非整数匝变压器是一种新型的电力电子元器件，它可以广泛应用于LLC变换器中。相比于传统的整数匝变压器，在尺寸和重量上都有显著的优势。此外，非整数匝变压器的绕组结构可以实现磁通平衡，有效减少绕组中的损耗和不必要的串扰噪音。在LLC变换器中，平面型非整数匝变压器的应用可以显著提高变换器的效率和性能。对于高频应用，非整数匝变压器的较小尺寸可以带来更好的散热性能和更高的功率密度。同时，相比于整数匝变压器，在非整数匝变压器上省略了多余的匝数，还可以减少线圈电容和电阻，从而降低电路的损耗并提高效率。总之，平面型非整数匝变压器是一种具有很大优势的新型电力电子元器件，广泛应用于LLC变换器中可以为电源电路的设计和实现提供更优秀的性能和能力。在未来的电力电子领域中，非整数匝变压器将被视为一种重要而具有广阔发展前景的电器设备。展望随着科学技术的不断发展，非整数匝变压器将进一步被推广和应用于各种领域。在电力电子方面，非整数匝变压器将是未来变换器设计的一个关键元件。它可以使电路更加紧凑，更高效，更加可靠，从而实现更好的性能和能力。根据目前的发展趋势，非整数匝变压器将进一步扩大应用范围，在新能源、电动汽车、通讯设备、计算机等领域也将得到广泛应用。在新能源领域，非整数匝变压器可以用于太阳能、风能等分布式电源电站的电力转换和逆变器中。在电动汽车领域，非整数匝变压器可以用于电动汽车充电设备及驱动电机变流器中。在通讯设备和计算机领域，非整数匝变压器可以用于高频开关电源中。此外，随着新材料、新技术的不断发展，非整数匝变压器的特性和性能将会得到进一步的提高，同时也将更加环保和节能。因此，非整数匝变压器是一个充满潜力和前景的领域，未来有很大的发展空间和机遇。

参考文献SanjayaManiktala.精通开关电源设计(第2版)[M].北京:人民邮电出版社,2015.01.周洁敏，赵修科，陶思钰[M].开关电源磁性元件理论及设计.北京:北京航空航天大学出版社,2014.01.LIUY-C,CHENC,CHENK-D,etal.High-FrequencyandHigh-EfficiencyIsolatedTwo-StageBidirectionalDC–DCConverterforResidentialEnergyStorageSystems[J].IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,2020,8(3):1994–2006.HUANGD,JIS,LEEFC.LLCResonantConverterWithMatrixTransformer[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2014,29(8):4339–4347.FEIC,YANGY,LIQ,etal.ShieldingTechniqueforPlanarMatrixTransformerstoSuppressCommon-ModeEMINoiseandImproveEfficiency[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2018,65(2):1263–1272.陈辰.半桥LLC谐振变换器参数设计优化研究[D]:[硕士学位论文].南京:南京信息工程大学,2019.王晓慧.高频平面磁元件绕组损耗计算方法研究[D]:[硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,2019.田豪傑.半桥LLC谐振变换器中的高效率高功率密度平面变压器设计[D]:[硕士学位论文].南京:东南大学,2018.TIANK,LIT,YUENKF.ACommon-ModeVoltageReductionModulationforaPhase-ShiftDC-DCConverter[C].2018IEEEInternationalPowerElectronicsandApplicationConferenceandExposition(PEAC).2018:1–5.ZHANGZ,HEB,HUD,etal.Common-ModeNoiseModelingandReductionfor1-MHzeGaNMultioutputDC–DCConverters[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2019,34(4):3239–3254.XIEL,RUANX,YEZ.EquivalentNoiseSource:AnEffectiveMethodforAnalyzingCommon-ModeNoiseinIsolatedPowerConverters[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2016,63(5):2913–2924.SAKETMA,SHAFIEIN,ORDONEZM.LLCConvertersWithPlanarTransformers:Issuesa