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开关电源中磁性元件绕组损耗的分析与研究

旷建军  
【摘要】: 大规模集成电路的出现,促进了电子设备的小型化。这要求为之供电的开关电源也随之小型化。在开关电源中,磁性元件的体积和重量都占较大比例,因此它们是决定开关电源体积和重量的关键因素。提高工作频率,可以减少磁性元件的体积,但高频效应(包括集肤效应和邻近效应)使绕组损耗增加。本文针对开关电源中的磁性元件,以减少绕组损耗为出发点,研究高频效应对单层导体和并联导体的损耗影响、扁平变压器并联绕组的均流设计方法以及电感气隙的设计。 本文基于导体的一维模型,利用集肤效应和邻近效应的正交性,得出了集肤效应和邻近效应各自产生的损耗随导体厚度和频率的变化趋势。在一维理想情况下分析得出,将厚导体分割为等厚的两层薄导体并联不能减少导体损耗的机理,这是因为厚导体分割为薄导体并联后,减少了集肤效应产生的损耗,但薄导体之间存在邻近效应,由此引起新的损耗。利用二维电磁场软件,进一步分析指出:把厚导体分割为薄导体的并联,由于在绝缘层处存在交变磁通,将导致损耗增加。论文分析了导体并联层数对损耗的影响,指出当并联导体总厚度大于两个集肤深度后,并联层数增加对减少损耗的效果不明显,当并联导体总厚度大于π个集肤深度时,损耗反而略有增加,因此在实际应用中,并联导体总厚度选择在两个集肤深度左右较适合。 在低压大电流DC/DC模块电源中,为了增加绕组的载流能力,经常使用并联绕组。但是高频效应可能导致电流在各并联绕组中并不均分,因此交流电阻较大。对于单副边绕组变压器,本文基于绕组布置的结构对称性和并联绕组中电阻值与电流的关系,提出并联绕组层数为偶数时,使电流均分的绕组布置方法。在此基础上,提出在中心抽头变压器中,并联绕组电流均分的绕组布置方法。论文通过有限元分析软件和实验验证了上述绕组布置方法是有效的。 论文对电感气隙设在磁芯窗口拐角处或其附近进行了分析,指出扩散磁通在此处容易深入到磁芯窗口内,易导致绕组损耗增加。针对分别由漆包线和铜箔构成的绕组,分析了气隙位置对磁芯窗口内旁路磁通的影响,指出气隙位置不影响铜箔绕组电感的旁路磁通,但对漆包线绕组的电感有影响,可以调整气隙位置来减小旁路磁通引起的绕组损耗。论文讨论了分布气隙的设计,如果小气隙之间的磁柱长度太短,部分扩散磁通就会旁路它直接进入磁芯窗口,使分布小气隙的效果减弱,因此气隙间的磁柱长度应为5个气隙长度左右。论文研究了分布气隙个数对绕组损耗的影响,指出气隙的个数应为使绕组距气隙的距离在3到5个小气隙之间。


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