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分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计摘要：平面变压器是一种新兴的开关电源产品，其设计合理性能够直接影响到开关电源产品的大小、成本和性能，鉴于此，要想使其在一些大功率开关电源设备中发挥出最大的利用价值，关键任务就是要对当前结构设计较为复杂的大功率平面变压器和电感器进行全面的优化与完善。
本文也会通过相应的仿真模型，来对两者的优化设计进行着重分析，并提出合理的意见和建议，以便有关人士参考。
关键词：平面变压器；电感器；优化设计要点；研究分析前言目前，在高压大功率场合中，大功率平面变压器一般都会根据拓扑电路进行单独设计，而一般的设计方法仅仅是满足电路能正常工作，并不是性价比高的设计，鉴于此，要想改善现状，使大功率平面变压器在高压大功率开关领域中得到更好的应用与发展，当务之急就是要对平面变压器和电压器的结构设计进行全面的优化。
1.高压大功率平面变压器的热仿真及优化设计分析通常，判断平面变压器的设计是否合理，关键任务就是要看其温升是否合理，即变压器的工作温度是否为最佳工作温度。
鉴于此，在对高压大功率平面变压器进行优化设计时，就要采用AnsysWorkbench热仿真软件对平面变压器进行热仿真分析，在这一环节中，首先要根据变压器实物构建一个热仿真模型，如图一所示。
并在模型中输入相应的模型参数，如材料参数、环境参数等，同时还要利用有限元的方法对这些参数进行计算，这样才能在后处理结果中获得变压器的温度参数。
从最终仿真结果来看，平面变压器的绕组温升较低，而磁芯的温升较高，这证明变压器在运行过程中，会产生较大的磁芯损耗。
另外，为了准确计算出变压器的热阻值，还要在热仿真模型中分别将磁芯损耗和绕组损耗设置成唯一的热源，这样能根据模型求解出变压器的热阻值，即根据模型求解结果显示，当变压器在运行期间磁芯温度和绕组温度都高于标准值时，就会产生单磁芯损耗问题；另外，若变压器在工作状态下，仅绕组温度较高，而磁芯温度正常时，会产生单绕组损耗问题，鉴于上述情况，要想得以改善，就要结合热电相似原理，将最大温升带入到热模型中，来对模型中各部分热阻进行计算。
浅谈平面变压器绕组结构设计作者：许艺娟来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第25期【摘要】平面變压器扁平状的特点使其在空间和高度要求较高的场合应用广泛，是实现开关电源小、轻、薄的重要手段。
其绕组结构对变压器的漏感和分布电容有着重要影响，从而影响着开关电源的性能。
本文采用Maxwell 2D仿真分析了不同绕组结构对平面变压器交流损耗的影响。
【关键词】平面变压器；绕组结构；交流损耗引言近年来电子设备日益小型化、高效率化，轻、薄、小已成为衡量电子设备的重要标志。
平面变压器具有高频、低造型、散热性能好等特点是电信、电焊机、计算机和外设、网络、医疗电子、工业控制、安全系统和电子设备的理想选择。
本文采用Maxwell 2D仿真分析了单路反激平面变压器不同绕组结构的交流电阻及交流损耗。
1、不同绕组结构介绍简单绕组结构的变压器绕组布置为先原边后副边，或者先副边后原边；三明治结构的变压器绕组为副边包围原边，或者原边包围副边；交叉换位结构是指原边绕组交叉放入副边绕组，或者副边绕组中交叉放入原边绕组，即原副边绕组交替布置。
三明治绕法和交叉换位技术均无法减小集肤效应引起的绕组损耗，但是都能有效减小邻近效应产生的绕组损耗，且交叉换位技术减小由邻近效应引起的绕组损耗的效果比三明治绕法好。
其原因是，由安培环路定律可知，绕组两表面的磁场强度之差由绕组中的电流决定，因而，绕组结构对集肤效应产生的绕组损耗并无影响。
三种变压器结构中，交叉换位结构磁芯窗口的最大磁场强度最小，因而绕组两表面的磁场强度之和最小，邻近效应产生的绕组损耗也最小，其减小漏感的效果最好。
综合以上分析，采用三明治绕法和交叉换位技术均可以减小变压器漏感和由变压器特性磁场引起的绕组交流损耗，且交叉换位技术效果更好。
2、Maxwell 2D仿真分析电流纹波越大，电感器特性磁场的比重越大，所引起的绕组交流损耗也越大。
本节取占空比为0.35时一个开关周期内的电流波形，对其进行傅立叶分析，再将各次谐波电流赋给绕组，仿真分析不同平面变压器模型的绕组交流损耗。
变压器的损耗分为铁损与铜损1、铁损（即磁芯损耗）包括三个方面：（1）磁材料在外磁场的作用下，材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动，这就是说当外磁场去掉时，磁畴仍能恢复原来的方向；而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动，即当外磁场去除时，磁畴仍保持磁化方向。
因此磁化时，送到磁场的能量包含两部分：前者转为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉，这就是磁滞损耗，是不可恢复能量。
每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量。
频率越高，损耗功率越大；磁感应摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。
（2）涡流损耗，当变压器工作时。
磁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流。
涡流的存在使磁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。
（3）剩余损耗是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。
所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。
从铁损包含的三个方面的定义上看，只要控制磁力线的大小便可降低磁滞损耗，减少磁芯与磁力线垂直的面积可以减少涡流损耗。
《开关电源中磁性元器件》一书中指出：由上面的话可以看出，在磁芯材质与形状，体积等都确定的情况下，变压器的铁损与变压器的工作频率以及磁感应强度摆幅deltB成正比。
磁滞在低场下可以不予考虑，涡流在低频下也可忽略，剩下的就是剩余损耗。
在磁感应强度较高或工作频率较高时，各种损耗互相影响难于分开。
故在涉及磁损耗大小时，应注明工作频率f以及对应的Bm 值。
但在低频弱场下，可用三者的代数和表示：tanδm= tanδh+tanδf+tanδr。
式中tanδh tanδf tanδr分别为：磁滞损耗角正切，涡流损耗角正切，剩余损耗角正切。
2014.09127·磁性元件与电源2!ዔ平面磁性器件的研发，解决了传统型磁性器件在结构上对现代电子设备要求小型化、低高度，热传导性能好，损耗小等的不适应性。
现在，电子设备的发展进步，大量需要适用于高频变换器的，具有以上优点的小尺寸平面型磁性器件。
为了能够一次性地精确设计出高频磁性元件，必须对其漏感、绕组的分布电容、趋肤效应和邻近效应等寄生成分的准确数据进行计算。
经过多年实现，对于叠层变压器、矩阵变压器、圆形螺旋线圈薄膜变压器等磁性元件已经有了比较成熟的设计方法和经验数据。
本文介绍两种多层平面型带气隙变压器的设计。
在本设计中，首先，将电路模型以频率关系为特性，假设磁性材料是线性的，并且没有磁滞效应。
因此，不需要区分输入电压的性质。
其次，需要考虑线圈内的磁通分布，以便确定如何有效地利用磁芯的质量，以及如何使磁通在线圈内分布均匀。
掌握磁芯中涡流分布的知识，则有助于计算线圈的铜损和磁性材料中的涡流损耗。
其三，本设计磁性元件所使用的磁性材料是TDK 公司的MnZn 铁氧体材料，将它们用于高频多层平面磁性元件，以研究其电感和电压比与频率的特性关系，同时探讨两种不同绕组结构的磁通分布和涡流分布，并使用边界单元法编制的CAD，CAE 软件计算有关数据。
3!ࣶށຳෂܤኹஉ৩ૺଐႯෝቯ工作频率在1MHz 左右的高频直流变换器需要几微亨(μH)的电感值。
在高频时所使用的电感器结构，最常见的是存在开路、闭路或螺旋型结构的多层磁路。
在本案的设计与试验中，初级和次级线圈采用的匝数相同，Ⅰ型样品为3匝，Ⅱ型样品是1匝。
铁氧体磁芯的尺寸是17.6×17.6×20(mm 3)。
图1示出了螺旋型绕组结构，而磁芯结构为基本开路型。
多层平面结构高频变压器的特性分析Analysis of Planar Sandwich High Frequncy Transformer Performance华冬宝 供稿摘 要：文章介绍了两种不同绕组结构的平面多层并带气隙的高频变压器的特性分析，得出了线圈自感、电压比与频率之间的关系，磁通分布和涡流分布的数值计算方法及结果，指出电压比和匝数比是不相同的，原因是电压比与频率有关。
平面变压器在电源中的设计应用文章通过对平面变压器所具有的特点进行系统的分析，并且结合在电源中的一些实例，从而进一步探讨平面变压器设计和实际应用等问题。
标签：平面变压器；开关电源；集肤效应前言现代的工作和生活对许多电子产品提出了小型化的要求。
而作为电子产品工作的能源-开关电源是必不可少的。
特别是功率较大的电子产品，电源部分占据了较大的体积和重量，。
而在在开关电源中，磁性器件大概占到开关电源体积和重量的30%-40%。
降低磁性器件的体积和重量就显得尤为重要。
平面变压器具有体积小，功率密度高刚好能满足这些要求。
因此，平面变压器取代传统变压器是开关电源发展的一个趋势。
1 平面的绕组特点平面变压器绕线方式就是借鉴了印制电路板的形成方式，平面变压器具有很多优点。
下面我们就对其特点进行分析，第一，平面变压器绕线方式就是借鉴了印制电路板的形成方式，使用这种方式对其进行生产，实际效率相对较高；第二，平面变压器的实际绕组参数是统一的，相对的离散性比较小；第三，平面变压器使用的是高性能的绝缘材料，使压层、线圈之间的保持良好的绝缘性；第四，其实际的引脚的位置可以根据实际需要进行自由分配，局限性相对较小，数量上也能够随之进行增减；第五，能够将集肤效应降到最低；第六，其相对的物理结构相当密实，线圈的固化结构也非常紧密、不需要使用支架进行绕线，自激振荡性小，相对能量的损耗也较小；第七，还能与控制应用模板进行统一的设计和装配。
由于平面变压器是一种新型的技术，不管是在理论上、材料的性能上、电能的性能指标、实际体积等众多方面有一定的提升和创新。
2 实际应用我们在平面变压器电源中的可行性实验里，使用文中提到的理论依据进行研究，从而进行了一系列工程化的工作，其平面变压器的电源有很多种不同的设计。
以320VDC/12VDC 25A变换器为例，对比常规变压器以及平面变压器。
将双管反激电路作为主电路，将开关频率黄蓉胡阳设置为100千赫，借助普通高频变压器的设计方案，联合应用两个EI33型磁芯，设计30匝原边，使用0.81毫米直径的漆包线作为绕组，2匝副边，0.3毫米铜皮的绕组，将2层使用并联的方式。
第38卷第3期计算机仿真2021年3月文章编号：1006 - 9348 (2021)03 - 0190 - 04高频低压平面变压器磁芯气隙的研究王星，程志江，孟德炀，翁雄亮(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047)摘要:变压器时常发生磁饱和现象。
为防止磁饱和的发生，通常在磁路中加人一段气隙或减少绕组匝数。
研究在磁回路中 加人气隙来避免磁饱和时，气隙量对高频平面变压器特性参数的影响。
以TDK铁氧体设计的髙频平面变压器为研究对象，通过理论分析计算出饱和电流和气隙量。
在ANSYS中建立3D仿真模型和电路简化模型，改变气隙量，分析高频平面变压 器的涡流场、静电场特性以及原副边电压特性，将仿真数据用MATLAB处理后，得出其电气参数变化规律。
关键词：髙频平面变压器;涡流场;静电场;磁芯气隙;磁饱和中图分类号:TP391.9 文献标识码:BResearch on Air Gap of Magnetic Core of Low Voltage H P TWANG Xing,CHENG Zhi - Jiang,MENG De - Yang, WENG Xiong - Liang(College of Electrical Engineering,Xinjiang University,WulumuqiXinjiang830047,China) ABSTRACT:Magnetic saturation often occurs in transformers.In order to prevent the occurrence of it,an air gap is usually added to the magnetic circuit or the number of winding turns is reduced.This paper studied the effect of air gap on the characteristic parameters of high frequency planar transformer when air gap was added to the magnetic circuit to avoid magnetic saturation.Taking the high frequency planar transformer designed by TDK ferrite as the research object,the saturation current and air gap were calculated through theoretical analysis.In ANSYS,a3D simulation model and a simplified circuit model were established to change the air gap and analyze the eddy current field, electrostatic field characteristics and the original and secondary voltage characteristics of high frequency planar transformer.After processing the simulation data with MATLAB,the variation law of electrical parameters was obtained.KEYW ORDS：High frequency planar transformer；Eddy current field；electrostatic field；Magnetic core gap；Magnetic saturationi引言在磁化曲线（B-H曲线）中，当磁场强度（H)达到某一 值时，磁感应强度（B)就不再随磁场强度的增加而增加了，这种现象就叫做磁饱和现象。
平面变压器与应用综述Survey and application of the planar transformer1.引言高频、高功率密度的电源变换模块在电力电子设备中得到广泛的应用和发展。
要提高变换器的功率密度，关键是降低磁性元件的体积和重量。
一方面，从传统的电工磁理论考虑，对于一定的线圈窗口面积和铁芯横截面积，对最优结构，要求线圈回路和铁芯回路的长度最短，以减小铁芯总体积和线圈的平均长度；另一方面，从热设计理论考虑，最大化地增加磁性元件的散热表面积，且使从磁件热点到磁件表面积的热阻降低，从而提高功率密度。
变压器结构正经历三次更新换代。
第一次是平面变压器，体积和重量比立体变压器(普通变压器)减少80%，已形成从5W至20KW，20KHZ至2MHZ的产品，效率典型值为98%。
第二次是片式变压器，对低压大电流特别适用，高度(厚度)更进一步降低，电流可达100安以上，采用一个次级绕组多个磁芯组成，代替以前的一个磁芯多个绕组。
多个磁芯的初级绕组串联，从而达到降压隔离的要求。
内部温升比平面变压器低，只有10℃左右。
可以装在额定温升更高的基板上工作。
第三次是薄膜变压器，采用薄膜后高度低于1mm。
工作频率超过1MHZ，达到10~100MHZ。
由于采用集成电路工艺制造，成本并不增加。
是直流开关电源变压器的最新发展方向。
之所以强调"正经历"，是因为在现阶段，不同的应用范围和市场，从性能价格比出发，要求的变压器结构形式也不一样。
立体变压器仍然大量使用。
平面变压器已形成系列，正在推广。
片式变压器处于个别和小批量生产阶段。
薄膜变压器只是个别情况，仍处于研究开发阶段。
由此可见，铁氧体平面变压器将在未来的功率变换模块中发挥极为重要的作用，特别在较大功率模块中起的作用显得更为突出。
2.结构原理平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯。
现以2个磁芯的平面变压器为例介绍其结构，如图1所示。
每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接，铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁。
电力系统及其自动化学报Proceedings of the CSU -EPSA第33卷第6期2021年6月Vol.33No.6Jun.2021改进型分段气隙的高频平面变压器研究侯宇琦，王议锋，陈晨，陈博（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）摘要：基于一种适用于家庭储能的1MHz 双向Multi -CLLC 直流变换器，提出了一种应用于高频变换器的平面变压器设计方法。
该方法充分考虑了高频应用下的磁芯材料特性、磁路磁通相消原理和绕组趋肤效应、邻近效应的影响，对磁件设计具有重要意义。
搭建了一台400W 的实验样机验证设计的合理性与可靠性，在额定工况下进行实验，实现了最高94%的工作效率。
分析实验波形存在的问题，提出改进型分段气隙变压器结构，对低压侧三路输出不均的问题进行改善，并利用ANSYS Maxwell 3D 瞬态场和涡流场求解器仿真验证了改进型结构在磁场分布、磁芯损耗和绕组损耗三方面的优化效果，证明了改进结构的可行性。
关键词：平面变压器；高频；双向直流变换器；谐振拓扑；高增益中图分类号：TM464文献标志码：A文章编号：1003-8930（2021）06-0110-11DOI ：10.19635/ki.csu -epsa.000739Research on High -frequency Planar Transformer with Modified Sectional -air -gapStructureHOU Yuqi ，WANG Yifeng ，CHEN Chen ，CHEN Bo（Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ）Abstract:Based on a 1MHz bidirectional Multi -CLLC DC/DC converter which is suitable for household energy stor⁃age ，a planar transformer design method for high -frequency converters is proposed in this paper.This method fully con⁃siders the material characteristics of magnetic core ，the principle of magnetic circuit flux cancellation ，winding skin ef⁃fect ，and proximity effect ，which is of significance to the design of magnetic components.A 400W experimental proto⁃type was built to verify the rationality and reliability of the design.Under rated conditions ，the maximum working effi⁃ciency achieved 94%.In addition ，after the analysis of the problems in experimental waveforms ，a modified sectional -air -gap transformer structure was proposed to improve the uneven output from the three transformers on the low -voltage ing ANSYS Maxwell 3D transient solver and eddy current solver ，the optimization effects of the modified struc⁃ture on the magnetic field distribution ，core loss and winding loss are verified ，which proves the feasibility of the modi⁃fied structure.Keywords:planar transformer ；high frequency ；bidirectional DC/DC converter ；resonant topology ；high voltage gain 随着电力电子技术的发展，家庭储能发电系统将成为分布式电网的最小单位。
MHz级平面变压器的设计及漏感与损耗的分析张杰;刘翠翠;赵运【摘要】基于反激变换器设计一款MHz级平面变压器.首先根据印制板平面变压器磁芯的最小结构常数初选了磁芯,利用磁芯损耗与温升的关系,初步选取了工作磁通密度,进一步计算了原副边匝数、线宽.在磁性元件设计软件Ansoft Pexprt中进一步完成平面变压器结构的设计,在有限元分析软件Maxwell2D中对平面变压器的漏感与损耗进行了仿真.根据仿真设计,对变压器的印制电路板进行了布局,制作实物对漏感损耗进行了测试与计算,验证了平面变压器设计的正确性.【期刊名称】《湖北工业大学学报》【年(卷),期】2018(033)005【总页数】4页(P21-24)【关键词】MHz级;平面变压器;有限元;漏感;损耗【作者】张杰;刘翠翠;赵运【作者单位】湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心,湖北武汉430068;珠海格力电器股份有限公司,广东珠海519070;国网湖北省电力有限公司沙洋县供电公司,湖北沙洋448200【正文语种】中文【中图分类】TM433高频变压器是开关电源的重要组成部分，传统的高频变压器由于骨架占用了大部分体积，不利于开关电源的高功率密度化，而平面变压器具有造型低、散热性好、漏感小等特点。
但在高频下，平面变压器也会受到高频效应的影响，增加了损耗，降低了电源的效率。
因此，考虑高频效应的影响，减小平面变压器的损耗与漏感，对平面变压器进行优化设计具有重要意义。
1 平面变压器的工程设计以反激平面变压器为例，基于反激变换器的电路参数：输入电压为直流24 V，输出电压为直流5 V，工作频率为1 MHz，最大输出功率为30 W，工作温度为25℃，最大温升不超过40℃。
对平面变压器进行初步设计，主要分为以下步骤。
1.1 初选磁芯根据印制板平面变压器磁芯的最小结构常数可初步选择满足磁芯窗口的磁芯，最小结构常数[1]：(1)其中kh为高度系数，考虑到板层之间的间隙，可取1.1～1.3，此处取1.2。
