基于軟件集成平臺的平面變壓器優(yōu)化設(shè)計與仿真的研究.pdf

1、采用傳統(tǒng)變壓器的開關(guān)電源在向高功率密度和低造型方向發(fā)展時暴露出諸多限制。為了提高功率密度，就得提高變換器的開關(guān)頻率，從而減小電路中無源元件的體積。但是對于傳統(tǒng)線繞式變壓器，當(dāng)開關(guān)頻率高于100kHz時，變壓器圓銅線的高頻效應(yīng)（主要為集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)）越來越顯著，增加了變壓器的損耗。為了削弱高頻效應(yīng)，可采用低造型鐵芯以及印刷電路板平面繞組制作而成的平面變壓器。與傳統(tǒng)線繞式變壓器相比，平面變壓器具有相當(dāng)多優(yōu)點，例如低造型，良好的散熱特性，

2、漏感小，可實現(xiàn)特性重現(xiàn)等等，適用于高功率密度高頻開關(guān)電源。對平面變壓器的研究和應(yīng)用在過去十年得到了快速發(fā)展。然而，當(dāng)開關(guān)頻率高達數(shù)百kHz，甚至大于1MHz時，平面變壓器同樣受到諸如集膚和鄰近效應(yīng)等高頻效應(yīng)的影響。這些高頻效應(yīng)產(chǎn)生的交流電阻、漏感以及分布電容，增大了開關(guān)電源的損耗，其中漏感和分布電容釋放儲能時產(chǎn)生危及功率開關(guān)安全運行的電壓尖峰，降低了開關(guān)電源的性能，此外由于減小漏感與減小分布電容的要求相矛盾，因此平面變壓器的優(yōu)化設(shè)計必須

3、考慮所有寄生效應(yīng)的影響。 本文提出了一種基于iSIGHT軟件集成平臺的平面變壓器優(yōu)化設(shè)計方法。將電磁分析軟件Maxwell 3D和電路仿真軟件Saber與優(yōu)化軟件iSIGHT集成，深入研究平面變壓器的寄生效應(yīng)，采取措施降低危及開關(guān)安全運行的電壓尖峰，改善開關(guān)電源的性能，最終獲得平面變壓器的最優(yōu)設(shè)計。論文的主要成果如下： 1)對平面變壓器的特殊結(jié)構(gòu)及繞組繞制方式進行研究，分析各寄生效應(yīng)產(chǎn)生的原理，以及對電源性能的危害，

4、提出了相應(yīng)的改進措施，并建立了用于綜合分析高頻效應(yīng)和優(yōu)化設(shè)計的平面變壓器等效電路。 2)通過對平面變壓器高頻效應(yīng)的深入研究，發(fā)現(xiàn)電路寄生元件之間會發(fā)生諧振，在變換器開關(guān)器件兩端產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波，嚴(yán)重危及開關(guān)器件的安全遠(yuǎn)行，因此確立了盡量減小開關(guān)兩端電壓應(yīng)力的優(yōu)化目標(biāo)，且優(yōu)化設(shè)計變量為變壓器原邊與副邊繞組之間的絕緣層厚度。 3)提出了平面變壓器的設(shè)計方法；利用電磁仿真軟件Maxwell 3D對平面變壓器進行了渦流

5、場和靜電場分析，根據(jù)仿真得到的阻抗矩陣和電容矩陣，推導(dǎo)出了提取平面變壓器各寄生參數(shù)的方程。 4)在iSIGHT軟件集成平臺中集成了Maxwell 3D和Saber軟件。通過iSIGHT提供的優(yōu)化算法對平面變壓器進行迭代仿真。改變變壓器原邊與副邊繞組之間的耦合程度，根據(jù)不同的耦合程度產(chǎn)生不同的寄生效應(yīng)，對應(yīng)的寄生元件釋放儲能產(chǎn)生不同的電壓尖峰，從中選出電壓尖峰最小所對應(yīng)的平面變壓器設(shè)計，從而實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。最后的優(yōu)化仿真分析結(jié)果