浅谈平面变压器绕组结构设计

许艺娟

【摘 要】平面变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。

其中，仿真模型中平面变压器参数为原、副边匝数分别为6匝和42匝，原、副边绕组线宽分别为19.5mm和2.4mm，副边绕组匝间距离为0.45mm，绕组厚度均为70um，绝缘层厚度为0.2mm，原副边绕组均只通过串联达到所需的匝数。

2.1电流密度分布

2.2交流损耗分析

表2-1为前10次谐波电流作用下四种绕组结构经仿真得到的数据，分别是单路反激变压器绕组原、副边交流损耗Pac_p、Pac_s和交流电阻Rac_p、Rac_s。在本仿真研究中，是采用原副边绕组电流直接傅立叶分解得到的，因此仿真的损耗既包括变压器特性磁场，也包括电感器特性磁场下引起的高频涡流损耗。由表2-1可知，交叉换位结构的变压器绕组交流损耗和交流電阻均比简单绕组结构和三明治结构的小，因而可以减小平面变压器的绕组交流损耗和温升，且对称交叉换位结构具有更小的绕组交流损耗和交流电阻。

结语

本文分析了平面变压器不同绕组布置方案的漏感和绕组交流损耗，包括简单绕组结构、三明治结构、完全交叉换位结构和对称交叉换位结构，并用有限元软件Maxwell 2D对各方案的模型进行仿真。得出结论：对称交叉换位方式具有更小的交流电阻和漏感，其减小平面变压器绕组交流损耗和温升的效果更好。

参考文献：

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[2] 祝锦.平面变压器绕组高频损耗的研究：[硕士学位论文].南京：南京航空航天大学，2008.

[3] 于庆广，宾雄辉，王晓慧，杨玉岗.平面变压器及平面磁集成技术，功能材料，2004，35（zl）：859-863.

（作者单位：国网福建电力有限公司龙海市供电公司）