高频平面变压器涡流效应虚拟仿真实验设计

汶 涛， 诸文智， 张 超， 明正峰

（西安电子科技大学机电工程学院，西安 710071）

0 引 言

作为高校电气类专业的重要课程，电力电子技术课程重点、难点多，概念抽象、计算复杂，在讲解理论知识的同时辅以相应的实验内容，使学生加深对课程的掌握和应用，提升教学效果。实验教学是重要的教学方式，通过实验教学可以培养学生的创新意识和实践能力［1-2］。在实验教学中发掘和培养学生的科研思维，学会运用专业知识解决复杂工程问题，是今后创新实验教学着重努力的方向［3］。国内多所高校在课程的教学方法和实验内容等方面作出了积极的探索与实践［4］。实验技术与计算机技术深度融合的虚拟仿真技术，突破了传统实验教学模式，在一定程度上弥补了实验教学受资源、时间、场地等条件的限制。运用计算机软件来实现的虚拟实验，减少专业实验室建设成本，虚拟仿真实验还具备远程访问的功能，根据需要灵活地进行扩展，对线上实验教学具有重大意义［5-6］。

得益于电力电子技术的迅速发展，直流开关电源应用也变的越来越广泛，在一些特殊场合，如军事、航空航天、医疗设备等领域，对电源的小型化和高效化有着更高要求，传统直流电能转换装置已无法适应日趋苛刻的市场需求［7-9］。变压器作为开关电源的重要磁性元件对电源的体积、重量、损耗有重要的影响。平面变压器是一种新型的平面化磁性元件，具有良好的散热特性和加工一致性。

在理论教学基础上，探索实验虚拟仿真教学的新模式［14-15］，以工程应用为导向，设计一种高频平面变压器涡流损耗虚拟仿真实验，利用有限元仿真工具Ansys Maxwell对高频平面变压器进行建模仿真，并在此基础上分析绕组涡流损耗和漏感的影响。仿真结果与后处理得到的磁场云图和矢量图有助于学生理解抽象的涡流场效应，增加课程的趣味性，调动学生学习积极性，同时也促进学生的科研思维、能力的培养［16-17］。

1 实验技术背景

1.1 平面变压器基本结构

平面变压器在结构上与传统变压器相比，扁平化的平面磁芯具有较大的表面积，散热性能更加优越；同时降低了涡流损耗，提高系统的功率密度；平面变压器的绕组一般用印制电路板上的走线或者折叠的铜箔代替，大幅度地提高了变压器的绝缘性能。

平面变压器也可直接集成到印制电路板中，印制板中间开孔用于安装磁芯，绕组绕制在主电路板上。各印制板间由绝缘胶布或空白印制板绝缘，磁芯直接将印制板夹在中间，并通过胶带或金属夹固定，如图1、2所示。

图1 平面变压器典型结构

1.2 平面变压器的漏感模型

图2 嵌入式平面变压器结构

当一定频率的交变电压加在初级线圈两端，励磁电流在初级线圈中产生磁通，磁通通过磁芯耦合到次级，次级线圈则会产生频率相同的交变电动势，在闭合的负载中产生电流，完成电压的隔离和能量的转换。理论上初级电流产生的磁通会通过磁芯完全耦合到变压器的次级绕组。但实际情况中初级侧产生的磁通有一小部分会通过到空气在初级侧就形成闭合的回路，在次级侧漏磁通同样会在次级侧形成闭合回路。变压器的磁通模型如图3所示。

图3 变压器原副边磁通模型

变压器的漏感制约着开关电源高频化的发展。如果变压器的漏感较大，MOSFET在高速开关的过程中，原副边电流电压会因为漏感的阻碍而不能突变，开关频率便不能进一步的提升；同时变压器的漏感也会产生感应电动势，此感应电动势与MOSFET的关断电压相互叠加，形成电流、电压的尖峰，由此产生的电磁干扰会严重影响电源的安全运行。

变压器的漏磁产生有多个方面原因，主要与变压器的绕制方式、气隙相关。图4为两种典型的绕组结构示意图，S为变压器原边绕组所在的PCB，P为变压器副边绕组所在的PCB。由图可见，夹绕方案的原、副边绕组耦合方式高于非夹绕方案，其漏感较低；但由于原、副边绕组的交错绕制，使得寄生电容变大。同样夹绕方案下的平面变压器在工作时，电流分布比较均匀，更利于变压器的长期稳定安全的运行。

图4 原副边绕组不同绕制方案的示意图

1.3 平面变压器涡流损耗模型

磁芯损耗和绕组损耗是变压器损耗的两大主要来源。当交变磁通穿过磁芯时会产生感应电势，并在磁芯中引起涡流损耗，如图5所示。

图5 磁芯中的涡流效应

磁芯涡流损耗与频率、磁通密度和磁芯的电阻率有关

式中：ke为涡流损耗特征系数，取决于磁性材料；f为磁芯磁化频率；Bm为磁芯中最大磁感应强度；Ve磁芯体积。

当变压器工作在高频下，电流会产生趋肤效应，引起绕组导体内部电流密度分布不均匀，使导体的有效导电面积变小，等效电阻变大，导致线圈绕组损耗增加。

2 实验教学设计

针对电磁感应原理和涡流这一教学内容，将Ansys Maxwell电磁仿真软件引入虚拟仿真实验。在Ansys Maxwell软件环境下建立平面变压器三维电磁模型，对涡流损耗进行仿真分析对比。由于平面变压器的绕组结构对其损耗特性有一定影响，这里选择原、副边不交错模式和原、副边交错模式进行对比分析，如图6～8分别为非交错绕组与交错绕组三维电磁模型结构示意图。

图6 两种绕组结构的平面示意图

图7 非交错绕组三维电磁模型结构示意图

图8 交错绕组三维电磁模型结构示意图

3 实验结果分析

利用Ansys Maxwell 3D软件中的电磁场、涡流场、瞬态场分析模块，分析求解一定高频条件下，不同绕组方式平面变压器的漏感与涡流特性。仿真条件设置为：Ui＝270 V，U0＝28 V，Pmax＝1 kW，f＝120 kHz。

3.1 平面变压器的漏感分析

图9（a）、（b）分别为非交错绕组结构和交错绕组结构的工作磁通密度图。由图可见，交错结构与非交错结构变压器磁芯都没有出现磁通密度饱和的现象。

图9 两种绕组结构变压器磁通密度分布图

表1为两种绕组结构下的漏感仿真数值，交错绕组结构可大大降低平面变压器的漏感。

表1 漏感仿真结果

3.2 平面变压器的涡流损耗分析

根据变压器仿真条件，首先分别计算出原、副边的电流有效值。

副边电流的有效值为：

副边电流的有效值为28.05 A，原、副边的变比为10。原边电流的有效值

以上述计算结果为基础，在电磁模型的原、副边分别添加有效值为3 A、28 A的正弦电流，磁芯涡流损耗密度以及涡流电流密度如图10、11所示。

图10 非交错绕组涡流损耗及电流密度图

图11 交错绕组涡流损耗及电流密度图

由图10、11可见，非交错绕组结构的涡流损耗密度和电流密度都要大于交错绕组结构。

为了进一步确定两种绕组结构的涡流损耗值，借助Ansys Maxwell 3D的涡流场积分器对变压器磁芯损耗以及原、副边绕组铜损进行计算，结果见表2。由表2可见，交错绕组在磁芯损耗以及原、副边绕组损耗等方面的表现都要优于非交错绕组，将原有总损耗降低了45%。在传递同等功率的情况下，交错绕组产生的损耗更低，提高了传输效率，可以极大的改善电源的性能。

表2 不同绕组下的损耗数据对比表 W

4 结 语

电气类专业是许多高校广受欢迎的热门专业，其培养的是宽口径复合型人才，许多课程非常适宜应用虚拟仿真技术。不断深入发展的虚拟仿真技术可以促进教师授课模式的改革，丰富实验教学的形式和内容。本文设计的高频平面变压器涡流损耗虚拟仿真实验为解决高校专业实验室建设所面临的困境，以服务电力电子高水平人才培养需求为导向，以培养学生工程实践能力为目的。以第3代变压器—平面变压器为分析对象，借助Ansys Maxwell软件对高频条件下平面变压器的涡流损耗和漏感开展虚拟仿真，帮助学生更好地认知平面变压器的结构与作用机理、绕组磁通分布及漏感计算、高频涡流效应等多个抽象理论知识。该教学平台通过紧密结合当前电力电子技术的发展趋势，将具有一定科研特色的平面变压器优化设计方法发展为虚拟仿真实验教学项目，可与理论教学进行有机结合，进一步强化教学效果，助力“新工科”人才培养的战略举措。