基于PExprt軟件的平面型印制板變壓器設(shè)計(jì)

鄧先明， 張安康， 鄭 康， 賈 震， 劉曉文

（中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引 言

隨著開關(guān)電源的發(fā)展，對(duì)變壓器的要求也越來越嚴(yán)格［1］。平面型PCB變壓器因其磁芯輪廓低、良好的散熱性和低漏感等優(yōu)點(diǎn)，在高頻率、高功率密度的開關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用［2-3］。作為電源的重要組成部分，變壓器的性能直接決定了信號(hào)的輸出質(zhì)量［4］。在高頻時(shí)，平面型PCB變壓器受到集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等影響，將導(dǎo)致變壓器的損耗增大，并降低開關(guān)電源的效率［5］。因此在設(shè)計(jì)PCB變壓器時(shí)，需要考慮高頻效應(yīng)的影響。傳統(tǒng)繞線式變壓器的設(shè)計(jì)方法常用的有面積乘積（AP）法和磁芯幾何參數(shù)（Kg）法，雖然這兩種方法都是基于電氣參數(shù)來設(shè)計(jì)的［6］，但很難精確計(jì)算各種高頻效應(yīng)對(duì)變壓器功耗的具體影響，不適用于平面型PCB 變壓器的設(shè)計(jì)［7］。因此，針對(duì)上述問題，采用ANSYS公司的一款專門針對(duì)電力電子變壓器和電感器設(shè)計(jì)的仿真軟件——PExprt（Power Electronics Expert），并利用該軟件設(shè)計(jì)了一款反激式的PCB變壓器，根據(jù)仿真分析高頻效應(yīng)對(duì)變壓器功耗的影響，選擇損耗最小的設(shè)計(jì)方案，制作實(shí)物。最后，通過對(duì)PCB變壓器實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。

1 基于PExprt軟件的變壓器設(shè)計(jì)步驟

PExprt軟件是一種將設(shè)計(jì)解決方案、分析和仿真集成到單一環(huán)境的軟件，并按照用戶輸入的規(guī)格要求，自動(dòng)運(yùn)行數(shù)百種“what-if”假定方案的軟件。PExprt設(shè)計(jì)磁性元件的主要步驟。

（1）創(chuàng)建新的工程文件。打開PExprt 軟件，創(chuàng)建新的工程文件，進(jìn)入到磁性元件類型選擇窗口。

（2）選擇磁性元件類型。PExprt的磁性元件類型選擇窗口有電感、變壓器、耦合電感和反擊拓?fù)渌姆N類型，具體包括基于波形的電感、基于Buck拓?fù)涞碾姼小⒒贐oost拓?fù)涞碾姼?、基于半橋拓?fù)涞淖儔浩?、基于全橋拓?fù)涞淖儔浩骱突诜醇ね負(fù)涞淖儔浩鞯?2 種磁性元件設(shè)計(jì)選項(xiàng)。這里設(shè)計(jì)一種基于反擊拓?fù)涞淖儔浩鳎x擇軟件中對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)，即可進(jìn)入到軟件設(shè)計(jì)界面。PExprt設(shè)計(jì)界面分為：輸入／輸出數(shù)據(jù)區(qū)域、元件信息區(qū)域、元件庫區(qū)域和圖表信息區(qū)域。輸入／輸出數(shù)據(jù)區(qū)域和元件庫區(qū)域?yàn)橹饕脑O(shè)計(jì)區(qū)，元件信息區(qū)域和圖表信息區(qū)域主要為磁性元件相關(guān)參數(shù)的觀察區(qū)。輸入／輸出數(shù)據(jù)區(qū)域包括Waveform 設(shè)計(jì)欄、Design Input設(shè)計(jì)欄和Modeling Option設(shè)計(jì)欄，主要對(duì)磁性元件性能和模型方法的選擇。

（3）選擇Waveform 設(shè)計(jì)欄。填寫磁性元件設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。根據(jù)變壓器設(shè)計(jì)性能參數(shù)，在Waveform設(shè)計(jì)欄中填寫輸入電壓、輸出電壓、頻率、功率和紋波電流等參數(shù)，對(duì)應(yīng)的輸出電流、占空比和原邊平均電流就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出來。

（4）選擇Design Input設(shè)計(jì)欄，確定磁性元件設(shè)計(jì)的構(gòu)造參數(shù)。Design Input 設(shè)計(jì)欄的構(gòu)造參數(shù)包括設(shè)定磁性元件的有無氣隙、繞組間距、絕緣厚度、磁芯類型和限定值等參數(shù)設(shè)定。

（5）選擇Modeling Option 設(shè)計(jì)欄，選擇模型設(shè)計(jì)方式。Modeling Option設(shè)計(jì)欄主要用于選擇變壓器繞組和磁芯損耗的計(jì)算方法，使用該軟件可以考慮到繞組的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。

（6）在元件庫區(qū)域中選擇磁芯類別、磁芯尺寸、磁芯骨架和繞組線型。針對(duì)平面變壓器和環(huán)形磁芯則可以省去骨架的選擇。元件庫區(qū)域集成了AVX、Epcos、Ferroxcube、Magnetics和TDK等國際公司的磁芯、骨架和導(dǎo)線的標(biāo)準(zhǔn)庫，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)磁性元件選擇和修改。

（7）PExprt自設(shè)計(jì)程序。PExprt可在數(shù)分鐘內(nèi)輸出一個(gè)易于解讀的設(shè)計(jì)選項(xiàng)表，設(shè)計(jì)者可以選擇合適的設(shè)計(jì)方案，觀察此方案中磁芯損耗、繞組損耗、磁通密度、直流阻抗、交流阻抗、電感量、漏感和溫升等參數(shù)［8］，并調(diào)用PExprt的有限元分析來獲得更為詳細(xì)的結(jié)果。此外，設(shè)計(jì)人員還可以配合Simplorer、PSpice和Saber等電路仿真軟件進(jìn)行全面的模擬，了解所設(shè)計(jì)磁性元件在特定環(huán)境內(nèi)的表現(xiàn)。

2 平面型PCB變壓器設(shè)計(jì)與分析

2.1 單端反激變換器原理

單端反激變換器是開關(guān)變換器中一種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中比較廣泛［9］。單端反激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單端反激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖中：Ui為輸入電壓；Uo為輸出電壓；io為輸出電流；S為開關(guān)管；T 為反激變壓器；i1為流過變壓器原邊繞組的電流；i2為流過變壓器副邊繞組的電流；D為續(xù)流二極管；C為輸出濾波電容；R為負(fù)載電阻。設(shè)開關(guān)周期為Ts，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton，則開關(guān)頻率f＝1 ／ Ts，占空比d ＝Ton／ Ts。

當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊施加正向電壓，副邊感應(yīng)出反向電壓，續(xù)流二極管D 承受反向偏置電壓而截止，流過原邊的電流i1線性增加，并將能量儲(chǔ)存在原邊繞組中，此時(shí)，負(fù)載由輸出濾波電容供電；當(dāng)開關(guān)管S 斷開時(shí)，原邊電流i1降為零，副邊續(xù)流二極管導(dǎo)通，能量從原邊傳遞到副邊，此時(shí)，電流i2流過副邊并線性減小。當(dāng)i2減小到io之前，電感電流一部分給負(fù)載供電，另一部分給電容充電；當(dāng)i2＜io后，電容進(jìn)入放電狀態(tài)，負(fù)載由電感和電容共同供電，以維持輸出電壓和輸出電流不變。

反激變壓器作為反激變換器主要元器件，其性能好壞直接影響到反激開關(guān)電源的輸出性能。因此，反激變壓器的設(shè)計(jì)方法顯得尤為重要。

2.2 反激式PCB變壓器的電磁參數(shù)設(shè)計(jì)

單端反激變換器主要應(yīng)用于高電壓、小功率的開關(guān)電源中，反激變壓器是單端反激變換器中體積占比較大的元件，采用PCB變壓器有助于開關(guān)電源的小型化輕量化［10］。單端反激變換器的主要技術(shù)參數(shù)如下：輸入電壓Ui＝20 ～50 V，輸出電壓Uo＝12 V，額定輸出功率Po＝24 W，開關(guān)頻率f ＝200 kHz，效率η ＝80%，匝比n ＝2。

使用PExprt 軟件設(shè)計(jì)變壓器不需要事先確定磁通密度的大小和匝比，為了方便后續(xù)研究繞組交錯(cuò)對(duì)變壓器的影響，這里原副邊匝比給定2。在反激變換器的主要技術(shù)參數(shù)給定的基礎(chǔ)上，只需計(jì)算原邊繞組電流紋波大小即可。在反激變換器中，等效的平均電感電流就是開關(guān)斜坡電流的中間值，如果考慮電源效率，則平均電感電流為［11］

式中：d為開關(guān)電源的占空比，在設(shè)計(jì)初始階段將其設(shè)為0． 5，將其代入式（1）中，可以大致估算出平均電感電流。設(shè)計(jì)電流紋波為± 20%（也就是r ＝0． 4）。故原邊繞組電流紋波為

在PExprt軟件中選擇基于反激變換的變壓器設(shè)計(jì)類型，進(jìn)入到軟件設(shè)計(jì)界面。將反激變換器的主要技術(shù)參數(shù)輸入到Waveform設(shè)計(jì)欄，其顯示界面如圖2所示。

圖2 Waveform設(shè)計(jì)欄界面

當(dāng)Waveform設(shè)計(jì)欄中的參數(shù)輸入完畢后，變壓器對(duì)應(yīng)的輸出電流、負(fù)載、電感和占空比等相應(yīng)參數(shù)就自動(dòng)計(jì)算出來。從圖2 可知，反激變換器的占空比為54． 55%，變壓器的原邊電感值為54． 55 μH。

Design Input 設(shè)計(jì)欄的界面如圖3 所示。Design Input設(shè)計(jì)欄主要是變壓器構(gòu)造參數(shù)的選定，包括有無氣隙、繞組間距、絕緣厚度、磁芯類型和限定值等參數(shù)設(shè)定。本次設(shè)計(jì)的磁芯選用平面部件。繞組是印制在電路板上，常見印制板的厚度有0． 4、0． 6、0． 8、1、1． 2、1． 6 和2 mm?？紤]到成本和損耗，采用厚度為0． 6 mm的印制板，層內(nèi)繞組間距為0． 15 mm［12］。在反激變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，一般都要在磁路中開氣隙，其目的是改變鐵心磁滯回線的斜率，使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊，而不至于磁芯進(jìn)入飽和非線性狀態(tài)，磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài)，在磁路中產(chǎn)生漏磁遠(yuǎn)大于完全閉合磁路，使磁芯工作在更大的功率狀態(tài)下。為了減小雜散磁通，將磁芯氣隙位置選在磁芯中柱。

圖3 Design Input設(shè)計(jì)欄

Modeling Option設(shè)計(jì)欄如圖4 所示，其主要用于選擇變壓器繞組和磁芯損耗的計(jì)算方法，在該軟件中可以考慮到繞組的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。目前，磁芯損耗常用的方法有Steinmetz 和Jiles-Atherton 磁滯模型方法。Jiles-Atherton磁滯模型計(jì)算磁芯損耗比較復(fù)雜，但是計(jì)算結(jié)果精確。當(dāng)使用該軟件時(shí)，可以使用Jiles-Atherton磁滯模型而不用擔(dān)心計(jì)算的復(fù)雜度。

輸入／輸出數(shù)據(jù)區(qū)域的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)完畢后，就可以進(jìn)行磁芯和繞線的選擇。采用PC40 材料的平面EE22型磁芯，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。變壓器繞線為一系列厚度為35 μm、寬度可變的的矩形導(dǎo)線，由軟件選擇合適大小的導(dǎo)線進(jìn)行繞組設(shè)計(jì)。

圖4 “Modeling Option”設(shè)計(jì)欄

圖5 平面EE22型磁芯（mm）

當(dāng)所有參數(shù)基本設(shè)定完畢后，就可以運(yùn)行軟件設(shè)計(jì)程序，得到符合設(shè)計(jì)要求的一系列方案。表1 給出根據(jù)功率損耗大小選取的部分變壓器設(shè)計(jì)方案。

2.3 反激式PCB變壓器的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

PCB變壓器的設(shè)計(jì)是否合理取決于其溫升是否合理，通常，變壓器允許溫升小于百攝氏度［13］，顯然表1 的設(shè)計(jì)方案都符合要求。結(jié)合功率損耗和窗口利用率，方案1 損耗最小，窗口利用率較好。選取方案1 進(jìn)行性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，方案1 中變壓器的各項(xiàng)性能指標(biāo)如圖6 所示。

表1 部分變壓器設(shè)計(jì)方案

圖6 設(shè)計(jì)變壓器的各項(xiàng)性能

從圖6 可知，該部分包括損耗、繞組參數(shù)、磁通密度和溫升等性能指標(biāo)。損耗包括了磁芯損耗和繞組損耗，其中繞組的交流損耗和直流損耗是分別給出的。PC40 磁芯材料的飽和磁通密度為390 mT，設(shè)計(jì)方案中變壓器磁芯的磁通密度最大為234． 51 mT，變壓器的磁芯穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域遠(yuǎn)離飽和區(qū)附近，保證變壓器可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

磁芯損耗結(jié)果是通過Jiles-Atherton磁滯模型方法計(jì)算，點(diǎn)擊圖中磁芯損耗的值，能夠看到Steinmetz 和Jiles-Atherton磁滯模型方法的結(jié)果，如圖7 所示。

從圖7 可知，采用Steinmetz損耗計(jì)算方法的變壓器損耗為50． 181 mW，而采用Jiles-Atherton 損耗計(jì)算方法的變壓器損耗為247． 92 mW。Steinmetz損耗計(jì)算方法參數(shù)比較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較適用于正弦激勵(lì)情況下的損耗計(jì)算［14］，對(duì)于激勵(lì)方波下的損耗計(jì)算誤差較大；而Jiles-Atherton是基于鐵磁性材料的磁化機(jī)制來計(jì)算磁芯損耗，其損耗計(jì)算考慮因素更全面，計(jì)算結(jié)果更為精確。

在輸入／輸出區(qū)域中，觀察變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，變壓器的磁芯選型、材料和氣隙大小，原、副邊繞組的線型和連接方式。在圖表信息區(qū)域可以看到變壓器具體結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。

從圖8 可以確定變壓器繞組的具體排布，后續(xù)可以研究針對(duì)反激式PCB變壓器，繞組的交錯(cuò)排布對(duì)變壓器漏感和損耗的具體影響，從而對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)做進(jìn)一步優(yōu)化［15］。

圖7 兩種損耗計(jì)算方法的結(jié)果

圖8 軟件設(shè)計(jì)的變壓器結(jié)構(gòu)

3 反激式PCB變壓器的制作與分析

通過PExprt仿真設(shè)計(jì)，變壓器損耗最小的方案可以確定。根據(jù)此方案設(shè)計(jì)PCB變壓器，可以得到PCB變壓器繞組和實(shí)物如圖9 所示。

圖9 PCB變壓器繞組和實(shí)物

從圖9 可知，PCB 變壓器繞組分布在PCB 上，結(jié)構(gòu)固定且可重復(fù)性高，而且PCB變壓器實(shí)物整體高度遠(yuǎn)小于普通繞線變壓器的高度，體積更小，有利于實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的小型化和輕量化［16］。為了節(jié)省成本，這里PCB上采用雙面布線，并通過過孔連接。本次設(shè)計(jì)的反激式PCB變壓器的磁通工作在線性區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象，所以變壓器的電感不會(huì)隨頻率變化。使用Agilent U1733C手持式LCR 表測(cè)量PCB 變壓器實(shí)物的電感值。

為了驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，將變壓器實(shí)物所測(cè)電感值與PExprt 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 變壓器實(shí)物感量與PExprt仿真對(duì)比

通過表2 可知，PExprt 仿真的電感值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了PExprt 設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語

針對(duì)平面型PCB變壓器設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的方法無法精確計(jì)算工作過程極為復(fù)雜的實(shí)際電路。而ANSYS 公司研發(fā)的磁性元件設(shè)計(jì)軟件PExprt 可以綜合考慮各方面情況，使磁芯元件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，方便工程人員使用。而且采用PExprt 軟件計(jì)算的繞組損耗、溫升、磁通密度和電流密度比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更加接近真實(shí)情況。PCB變壓器的繞組更易實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)放置，重復(fù)性高，適合工業(yè)上的大批量生產(chǎn)。