淺談平面變壓器繞組結構設計

許藝娟

【摘 要】平面變壓器扁平狀的特點使其在空間和高度要求較高的場合應用廣泛，是實現開關電源小、輕、薄的重要手段。其繞組結構對變壓器的漏感和分布電容有著重要影響，從而影響著開關電源的性能。本文采用Maxwell 2D仿真分析了不同繞組結構對平面變壓器交流損耗的影響。

【關鍵詞】平面變壓器；繞組結構；交流損耗

引言

近年來電子設備日益小型化、高效率化，輕、 薄、小已成為衡量電子設備的重要標志。平面變壓器具有高頻、低造型、散熱性能好等特點是電信、電焊機、計算機和外設、網絡、醫療電子、工業控制、安全系統和電子設備的理想選擇。本文采用Maxwell 2D仿真分析了單路反激平面變壓器不同繞組結構的交流電阻及交流損耗。

1、不同繞組結構介紹

簡單繞組結構的變壓器繞組布置為先原邊后副邊，或者先副邊后原邊；三明治結構的變壓器繞組為副邊包圍原邊，或者原邊包圍副邊；交叉換位結構是指原邊繞組交叉放入副邊繞組，或者副邊繞組中交叉放入原邊繞組，即原副邊繞組交替布置。

三明治繞法和交叉換位技術均無法減小集膚效應引起的繞組損耗，但是都能有效減小鄰近效應產生的繞組損耗，且交叉換位技術減小由鄰近效應引起的繞組損耗的效果比三明治繞法好。其原因是，由安培環路定律可知，繞組兩表面的磁場強度之差由繞組中的電流決定，因而，繞組結構對集膚效應產生的繞組損耗并無影響。三種變壓器結構中，交叉換位結構磁芯窗口的最大磁場強度最小，因而繞組兩表面的磁場強度之和最小，鄰近效應產生的繞組損耗也最小，其減小漏感的效果最好。

綜合以上分析，采用三明治繞法和交叉換位技術均可以減小變壓器漏感和由變壓器特性磁場引起的繞組交流損耗，且交叉換位技術效果更好。

2、Maxwell 2D仿真分析

電流紋波越大，電感器特性磁場的比重越大，所引起的繞組交流損耗也越大。本節取占空比為0.35時一個開關周期內的電流波形，對其進行傅立葉分析，再將各次諧波電流賦給繞組，仿真分析不同平面變壓器模型的繞組交流損耗。

其中，仿真模型中平面變壓器參數為原、副邊匝數分別為6匝和42匝，原、副邊繞組線寬分別為19.5mm和2.4mm，副邊繞組匝間距離為0.45mm，繞組厚度均為70um，絕緣層厚度為0.2mm，原副邊繞組均只通過串聯達到所需的匝數。

2.1電流密度分布

2.2交流損耗分析

表2-1為前10次諧波電流作用下四種繞組結構經仿真得到的數據，分別是單路反激變壓器繞組原、副邊交流損耗Pac_p、Pac_s和交流電阻Rac_p、Rac_s。在本仿真研究中，是采用原副邊繞組電流直接傅立葉分解得到的，因此仿真的損耗既包括變壓器特性磁場，也包括電感器特性磁場下引起的高頻渦流損耗。由表2-1可知，交叉換位結構的變壓器繞組交流損耗和交流電阻均比簡單繞組結構和三明治結構的小，因而可以減小平面變壓器的繞組交流損耗和溫升，且對稱交叉換位結構具有更小的繞組交流損耗和交流電阻。

結語

本文分析了平面變壓器不同繞組布置方案的漏感和繞組交流損耗，包括簡單繞組結構、三明治結構、完全交叉換位結構和對稱交叉換位結構，并用有限元軟件Maxwell 2D對各方案的模型進行仿真。得出結論：對稱交叉換位方式具有更小的交流電阻和漏感，其減小平面變壓器繞組交流損耗和溫升的效果更好。

參考文獻：

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（作者單位：國網福建電力有限公司龍海市供電公司）