一种高频分段气隙平面变压器
阅读说明：本技术 一种高频分段气隙平面变压器 (High-frequency segmented air gap planar transformer ) 是由 王议锋 侯宇琦 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高频分段气隙平面变压器,包括单一平面变压器,所述单一平面变压器是由基于平面变压器的集成设计方法将n个分离变压器集成得到,单一平面变压器内的绕组采用PCB印制板绕组,所述单一平面变压器内的磁芯中柱上等间距的设置有三个气隙,所述气隙将单一平面变压器内的磁芯中柱均匀分割为n+1段,每个气隙内放置有非铁磁性介质,其中n≥2。(The invention discloses a high-frequency segmented air gap planar transformer which comprises a single planar transformer, wherein the single planar transformer is obtained by integrating n separated transformers based on an integrated design method of the planar transformer, a winding in the single planar transformer adopts a PCB (printed Circuit Board) winding, three air gaps are arranged in a magnetic core center pillar in the single planar transformer at equal intervals, the air gaps uniformly divide the magnetic core center pillar in the single planar transformer into n +1 segments, a non-ferromagnetic medium is placed in each air gap, and n is more than or equal to 2.)
技术领域
本发明属于应用于高频工作环境下的平面变压器磁集成
技术领域
，特别是涉及一种高频分段气隙平面变压器。背景技术
在直流微网、光伏储能、小型风力发电等清洁能源领域，对功率器件的体积和质量要求越来越高。变压器等磁性元件在空间和质量上占比高达整个电源系统的0.2-0.33左右，因此合理设计和优化变压器结构，减小其体积和重量，在实际应用工程中具有重要意义。对于应用于直流变换器的变压器，其视在功率S表示为式(1)：
S＝UI＝(KfAeBmfN)·(0.5KwAwJ) (1)
其中，Kf为波形系数，Kw为窗口利用率，Ae代表磁芯有效截面积，Aw代表磁性元件的窗口面积，J为最大电流密度，N为变压器匝数。而变压器体积V满足式(2)：
因此，变压器体积V与其视在功率S满足式(3)：
由此可见，为了降低变压器的体积，实现功率变换器的高功率密度，必须提高开关频率f。在高频情况下，变压器漏感、寄生电容等寄生参数的影响显著，易产生电磁干扰，温升较高。若需要同时使用多个变压器，则变压器的参数一致性难以保证，导致变换器性能下降。平面磁集成技术通过合理的布局和绕组优化，可以极大抑制寄生参数的不利影响，有效解决以上问题。同时，平面变压器绕组往往采用印刷电路板(PCB)布线，有助于变换器进一步提高功率密度。
特别地，在现有的平面磁集成技术研究中，基于磁通抵消原理，可将多个分离变压器的磁芯集成到共用磁芯上，提高变换器的功率密度。而这种结构目前广泛使用的磁芯多为EE、EI型，通过将分离变压器的绕组套在同一个E磁芯中柱上实现。但是，虽然多个分离绕组处于同一主磁路内，但由于绕组保持空间位置上磁场分布的绝对对称性与均匀性有较大难度，根据毕奥-萨伐尔定律和磁场的叠加定理，每个PCB绕组所处磁场都存在差异，因此一定程度上造成了绕组磁场的不一致，并由此带来额外的损耗。
针对将多个变压器集成在一起的平面磁集成变压器，其保证各个分立变压器的工作一致性有较大的困难，同时，通以频率较高的交流激励电流时，磁芯涡流损耗、气隙边缘效应、以及绕组的涡流损耗明显随频率升高，平面变压器的性能显著降低。而提高工作频率又是保证变压器较大功率密度优势的必要条件。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高频分段气隙平面变压器，可以灵活地根据集成变压器个数、绕组排布空间位置实现磁场均匀性控制，从而改善变压器集成后的一致性，尤其是高频环境下的性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高频分段气隙平面变压器，包括单一平面变压器，所述单一平面变压器是由基于平面变压器的集成设计方法将n个分离变压器集成得到，单一平面变压器内的绕组采用PCB印制板绕组，所述单一平面变压器内的磁芯中柱上等间距的设置有三个气隙，所述气隙将单一平面变压器内的磁芯中柱均匀分割为n+1段，每个气隙内放置有非铁磁性介质，其中n≥2。
进一步的，所述单一平面变压器采用对称交叉换位的绕组结构，即n个4层的PCB板叠放，高压侧绕组布置在每个PCB板的顶层和底层，低压侧绕组布置在中间层，高压绕线依次串联，低压绕线分别并联。
进一步的，所述非铁磁性介质为电木板，磁芯中柱与电木板之间通过导热胶相互粘接形成一体。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明通过将单一平面变压器中柱磁路均分，来实现多个分立变压器平面集成的性能。由于可以灵活地根据集成变压器个数、绕组排布空间位置实现磁场均匀性控制，因此能够保证高频一致性，减小磁性元件的数量和体积，优化变换器的功率密度，适用于较高频率应用场合；
2.本发明平面变压器是基于传统EE型变压器磁芯结构提出的一种改进。传统结构中，为防止磁饱和而存在的磁芯中柱气隙，会导致部分边缘磁通进入磁芯窗口切割附近绕组。单一气隙变压器的中柱气隙周围磁力线较密，且全部切割在中间的几组绕组，会导致靠近中间绕组的磁场分布与两侧差距较大。本发明提出将磁芯中柱等分的思想，从而使变压器气隙处的磁力线由密变疏，均匀地分布在n个小气隙处，且实现了对多层绕组均匀切割，因此磁场在绕组上的分布一致性大大提高；
3.本发明通过切割磁芯中柱从而切割了磁芯涡流产生的路径。若中柱磁性材料层叠式布置，空间磁场将对每一个层片产生单独的感应电动势，从而切割了涡流产生的路径，对涡流损耗产生阻碍。这种阻碍与每个层片结构的长度和厚度成正比，感应电动势与层片结构的截面积成正比。从而有效降低了高频环境下比工作频率的平方增长速度还要快的磁芯涡流损耗；
4.本发明通过分段小气隙使单一大气隙产生的较为严重的边缘效应有效降低，避免了边缘磁通作用于绕组造成的绕组涡流损耗。气隙尺寸设计过大，边缘磁通会穿过导线产生涡流，造成变压器损耗增加。且边缘磁通的扩散距离与气隙大小成正比，所以大气隙造成大边缘损耗，反之则损耗降低。结合高频平面变压器的设计目标以及绕组实际排布情况，中柱气隙等分的改进结构可以有效降低气隙总的边缘效应，降低变压器损耗。
5.因此，本发明平面变压器磁芯结构的结构较简单，仅采用切割磁芯中柱的方式，即可有效改善多个变压器集成输出不一致的问题，通过把传统的单层气隙单层薄化设计，有效减少了各气隙层外围的边缘散磁通，并降低寄生参数的影响，从而使平面变压器能够更好地抵抗高频应用带来的边缘效应、磁芯损耗等一系列问题。提高了绕组上磁场分布的一致性、显著降低磁芯损耗与涡流损耗，提高功率密度，提升了变压器工作性能，更适用于高频应用环境。
附图说明
图1是基于EE型磁芯的平面磁集成变压器三维结构示意图；
图2a和图2b分别是单一气隙变压器与分段气隙变压器(以3段为例)的磁芯结构对比示意图；
图3a和图3b分别是利用涡流场求解器得到单一气隙和分段气隙变压器磁感应强度B的分布对比；
图4a和图4b分别是单一气隙和分段气隙变压器磁芯损耗CoreLoss曲线对比图；
图5a和图5b分别是单一气隙和分段气隙变压器绕组损耗SolidLoss曲线对比图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提出了一种能实现高频下多个变压器平面磁集成后绕组所处磁场分布均匀一致的新型磁芯结构。
本发明要解决的技术问题是提出一种新型的分段气隙磁芯结构，根据集成的分离变压器个数以及绕组空间位置，来调整磁芯中柱上的气隙分布个数与位置，从而将应用于高频环境下的平面变压器有效集成，保证各分离变压器的输出相同，保持较高的一致性。
设计过程中，根据毕奥-萨伐尔定律和磁场的叠加定理，基于平面变压器的集成设计方法。首先，基于平面变压器的集成设计方法，将多个分离变压器集成到一个单一平面变压器，绕组采用PCB印制板方法，减小体积，具体结构如图1所示；其次，基于毕奥-萨伐尔定律：任一电流元Idl在给定点P所产生磁感应强度dB的大小与电流元大小成正比，与电流元和由电流元到P点的矢径r间的夹角的正弦成正比，而与距离r的平方成反比来进行空间磁场分析。定律为式(4)：
式中：dB是磁感应强度；μ0为真空磁导率；Idl表示电流元；是由电流元到P点的矢径。由式(4)可以看到，磁场按照分析点到电流元距离的平方而衰减。同时，磁场遵从叠加原理，因此由闭合导线激发的总磁密B是由电流元所激发的dB矢量积分得到的。只要已知绕组激励即可得到空间各处的磁场分布。
在磁场分布的对称性与一致性上，气隙的大小与分布都有无法忽视的影响。为了防止高频下发生磁饱和，一般会在磁芯中柱预留一段气隙。但由于这段气隙的存在，磁力线是以环形而非直线的形式穿过，导致部分边缘磁通进入磁芯窗口切割附近绕组，产生边缘损耗，气隙周围的磁场分布与中柱其他位置有明显不同。
利用以上结论，平面变压器上磁集成的各分离变压器绕组的磁场分布与它们在磁芯骨架构成的磁路中空间位置有关、与气隙分布有关。因此，以三个分离变压器磁集成得到的平面变压器为例：将现有磁芯中柱均匀分割成四段，形成三个等大的气隙分别均匀对应于三个PCB绕组的空间位置，并用非铁磁性介质(如电木板)做成垫片置于其中，用导热胶将它们相互粘接形成一体，构成分段气隙磁芯结构。与传统单一气隙EE型平面变压器的结构对比如图2a和图2b所示。
在铁损方面，磁芯中柱柱体分层可以减少涡流损耗。若中柱磁性材料层叠式布置，空间磁场将对每一个层片产生单独的感应电动势，从而切割了涡流产生的路径，对涡流损耗产生阻碍。这种阻碍与每个层片结构的长度和厚度成正比，感应电动势与层片结构的截面积成正比。对于单一气隙和中柱气隙n等分两种结构，它们具有相同的材料和尺寸；主磁路长度lc相同，气隙总长度lg相同。区别仅在于：传统单一气隙的磁芯中柱被分为上下两片；而改进的中柱气隙n等分变压器磁芯中柱将气隙均分为n段(每段长lg/n)，对应的磁芯中柱柱体也被均分为(n+1)片。假设磁芯中柱上的总感应电动势为ec，磁芯中柱柱体的等效磁阻为Rc。则对于气隙n等分的变压器来说，每一段中柱层片上的感应电动势为ec/(n+1)，每一片的内阻也将会是柱体整体的(n+1)倍，也就是(n+1)Rc。磁芯中柱的损耗Pe_c为式(5)：
式中：Pe_c表示磁芯中柱的损耗；Rc表示磁芯中柱总电阻；U表示每一段中柱层片上的感应电动势；ec表示磁芯中柱总感应电动势。对于传统单一气隙结构，n＝1，则其磁芯中柱的涡流损耗Pe_c为式(6)：
对于(n+1)段层片结构的磁芯中柱，其上的总涡流损耗为传统结构的8/(n+1)3倍。显然，只要n≥2，把传统单层气隙均匀单层薄化的设计就能够有效降低中柱涡流损耗。因此，该结构变化对降低变压器铁损有非常积极的意义。
在铜损方面，气隙尺寸设计过大，边缘磁通会穿过导线产生涡流发热，造成绕组损耗增加。如果在磁导率较高的磁路上有且仅有一个气隙，那么几乎全部的激励磁场都会施加在这个气隙上，在气隙边缘的邻近绕组上存在严重的边缘磁通。边缘磁通的扩散距离正比于气隙长度，因此小气隙将大大降低边缘磁通损耗。就目前的研究结果来看，准确地预测和计算由边缘磁通造成的气隙损耗是很困难的。目前有学者提出边缘磁通系数F的概念，该系数能够正向表征边缘效应的强弱，如式(7)：
lg对应气隙长度、Ac对应中柱截面积、G对应窗口高度。可知变压器使用同一磁芯型号，即保持G/(Ac)1/2一定，边缘磁通系数F随气隙长度lg的增大而增大；而在单一气隙总长度较小时(大致满足气隙长度lg与磁芯窗口所对外边柱长度2G的比值小于0.2)，将其n等分所产生的每段小气隙，各自边缘效应的影响加和小于单一气隙影响。因此中柱气隙等分的结构是可以有效降低气隙总的边缘效应，降低绕组涡流损耗的。
由此，通过切割磁芯中柱改变气隙分布的方式，改变了磁芯的主磁路路径，实现了多个分立变压器的输出一致性，完成了多个分离变压器的磁集成，减小了磁性元件的数量和体积，优化了变换器的功率密度，并降低了变压器磁芯与绕组损耗。
具体的，本实施例具体分析全部以三个分离变压器集成为一个平面变压器为例，并利用ANSYS磁场仿真软件的Maxwell 3D瞬态场求解器和涡流场求解器进行磁场分析，以工作频率1MHz，磁性材料ML91S、磁芯型号E32/6/20的设计条件验证。
图1给出了基于EE型磁芯的平面磁集成变压器结构图。高频平面变压器采用对称交叉换位的绕组结构，即3个4层的PCB板叠放，高压侧绕组布置在每个PCB板的顶层和底层，低压侧绕组布置在中间层，高压绕线依次串联，低压绕线分别并联。
图2a和图2b为本实施例所涉及分段气隙变压器与单一气隙变压器的磁芯结构对比。磁芯中柱气隙分段的具体操作是：将现有磁芯中柱均匀分割成四段，形成三个等大的气隙分别均匀对应于三个PCB绕组的空间位置，并用非铁磁性介质(如电木板)做成垫片置于其中，用导热胶将它们相互粘接形成一体，构成分段气隙磁芯结构。
图3a和图3b为单一气隙和分段气隙变压器磁感应强度B的分布对比。根据图像可知，切割中柱的方法使变压器磁场发生了以下变化：1)变压器磁路发生变化。铁芯窗口内部也产生了磁路回路，磁密流经边柱与每一个中柱层片分别形成了闭合子磁路；2)最大磁感应强度Bm发生变化。分段气隙变压器的Bm在原始结构的基础上又有所降低，磁芯更加不易进入饱和区间，单位体积的铁损Pv也将随之降低；3)边缘磁通分布发生变化。原本单一气隙旁进入磁芯窗口并切割附近绕组的边缘磁通减弱，磁矢量线更接近直线的形式穿过中柱，边缘损耗将一定程度上得到改善。
图4a和图4b为仿真运行15个周期中前8周期的磁芯损耗CoreLoss曲线对比。稳定后得到单位体积上磁芯损耗值，单一气隙为517.59kW/m3，气隙三等分为428.296kW/m3。证明了分段气隙结构对磁芯损耗的改善作用。
图5a和图5b为仿真运行15个周期中前8周期的绕组损耗SolidLoss曲线对比。稳定后得到单位体积上绕组损耗值，单一气隙为895.5kW/m3，气隙三等分为798.0kW/m3。证明了分段气隙结构对绕组损耗的改善作用。
此外还对单一气隙变压器与分段气隙变压器绕组电流密度J的分布对比。气隙附近产生的边缘磁通穿过导线产生的涡流会直接体现在绕组电流密度J的分布上。可以清楚得到单一气隙变压器的边缘效应严重，且大量分布于三组绕组中最靠近气隙的中间组。电流密度J直接影响绕组的工作温度，J大则导线发热一定较多，变压器的绕组温度也就会相对较高。这也说明单一气隙结构导致绕组越靠近气隙受边缘效应影响越大，涡流损耗最严重，这种影响沿气隙位置向两侧递减。由此产生了空间位置磁场的差异。而对应绕组将气隙分段的结构，绕组上的J分布明显均匀。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
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