高頻平面變壓器渦流效應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

汶 濤， 諸文智， 張 超， 明正峰

（西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710071）

0 引 言

作為高校電氣類專業(yè)的重要課程，電力電子技術(shù)課程重點(diǎn)、難點(diǎn)多，概念抽象、計(jì)算復(fù)雜，在講解理論知識(shí)的同時(shí)輔以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生加深對(duì)課程的掌握和應(yīng)用，提升教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是重要的教學(xué)方式，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力［1-2］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)掘和培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，學(xué)會(huì)運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題，是今后創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重努力的方向［3］。國(guó)內(nèi)多所高校在課程的教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面作出了積極的探索與實(shí)踐［4］。實(shí)驗(yàn)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合的虛擬仿真技術(shù)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)受資源、時(shí)間、場(chǎng)地等條件的限制。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)，減少專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還具備遠(yuǎn)程訪問的功能，根據(jù)需要靈活地進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重大意義［5-6］。

得益于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直流開關(guān)電源應(yīng)用也變的越來越廣泛，在一些特殊場(chǎng)合，如軍事、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，對(duì)電源的小型化和高效化有著更高要求，傳統(tǒng)直流電能轉(zhuǎn)換裝置已無(wú)法適應(yīng)日趨苛刻的市場(chǎng)需求［7-9］。變壓器作為開關(guān)電源的重要磁性元件對(duì)電源的體積、重量、損耗有重要的影響。平面變壓器是一種新型的平面化磁性元件，具有良好的散熱特性和加工一致性。

在理論教學(xué)基礎(chǔ)上，探索實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)的新模式［14-15］，以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)一種高頻平面變壓器渦流損耗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用有限元仿真工具Ansys Maxwell對(duì)高頻平面變壓器進(jìn)行建模仿真，并在此基礎(chǔ)上分析繞組渦流損耗和漏感的影響。仿真結(jié)果與后處理得到的磁場(chǎng)云圖和矢量圖有助于學(xué)生理解抽象的渦流場(chǎng)效應(yīng)，增加課程的趣味性，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也促進(jìn)學(xué)生的科研思維、能力的培養(yǎng)［16-17］。

1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)背景

1.1 平面變壓器基本結(jié)構(gòu)

平面變壓器在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)變壓器相比，扁平化的平面磁芯具有較大的表面積，散熱性能更加優(yōu)越；同時(shí)降低了渦流損耗，提高系統(tǒng)的功率密度；平面變壓器的繞組一般用印制電路板上的走線或者折疊的銅箔代替，大幅度地提高了變壓器的絕緣性能。

平面變壓器也可直接集成到印制電路板中，印制板中間開孔用于安裝磁芯，繞組繞制在主電路板上。各印制板間由絕緣膠布或空白印制板絕緣，磁芯直接將印制板夾在中間，并通過膠帶或金屬夾固定，如圖1、2所示。

圖1 平面變壓器典型結(jié)構(gòu)

1.2 平面變壓器的漏感模型

圖2 嵌入式平面變壓器結(jié)構(gòu)

當(dāng)一定頻率的交變電壓加在初級(jí)線圈兩端，勵(lì)磁電流在初級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通，磁通通過磁芯耦合到次級(jí)，次級(jí)線圈則會(huì)產(chǎn)生頻率相同的交變電動(dòng)勢(shì)，在閉合的負(fù)載中產(chǎn)生電流，完成電壓的隔離和能量的轉(zhuǎn)換。理論上初級(jí)電流產(chǎn)生的磁通會(huì)通過磁芯完全耦合到變壓器的次級(jí)繞組。但實(shí)際情況中初級(jí)側(cè)產(chǎn)生的磁通有一小部分會(huì)通過到空氣在初級(jí)側(cè)就形成閉合的回路，在次級(jí)側(cè)漏磁通同樣會(huì)在次級(jí)側(cè)形成閉合回路。變壓器的磁通模型如圖3所示。

圖3 變壓器原副邊磁通模型

變壓器的漏感制約著開關(guān)電源高頻化的發(fā)展。如果變壓器的漏感較大，MOSFET在高速開關(guān)的過程中，原副邊電流電壓會(huì)因?yàn)槁└械淖璧K而不能突變，開關(guān)頻率便不能進(jìn)一步的提升；同時(shí)變壓器的漏感也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與MOSFET的關(guān)斷電壓相互疊加，形成電流、電壓的尖峰，由此產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)嚴(yán)重影響電源的安全運(yùn)行。

變壓器的漏磁產(chǎn)生有多個(gè)方面原因，主要與變壓器的繞制方式、氣隙相關(guān)。圖4為兩種典型的繞組結(jié)構(gòu)示意圖，S為變壓器原邊繞組所在的PCB，P為變壓器副邊繞組所在的PCB。由圖可見，夾繞方案的原、副邊繞組耦合方式高于非夾繞方案，其漏感較低；但由于原、副邊繞組的交錯(cuò)繞制，使得寄生電容變大。同樣夾繞方案下的平面變壓器在工作時(shí)，電流分布比較均勻，更利于變壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全的運(yùn)行。

圖4 原副邊繞組不同繞制方案的示意圖

1.3 平面變壓器渦流損耗模型

磁芯損耗和繞組損耗是變壓器損耗的兩大主要來源。當(dāng)交變磁通穿過磁芯時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，并在磁芯中引起渦流損耗，如圖5所示。

圖5 磁芯中的渦流效應(yīng)

磁芯渦流損耗與頻率、磁通密度和磁芯的電阻率有關(guān)

式中：ke為渦流損耗特征系數(shù)，取決于磁性材料；f為磁芯磁化頻率；Bm為磁芯中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；Ve磁芯體積。

當(dāng)變壓器工作在高頻下，電流會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，引起繞組導(dǎo)體內(nèi)部電流密度分布不均勻，使導(dǎo)體的有效導(dǎo)電面積變小，等效電阻變大，導(dǎo)致線圈繞組損耗增加。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)電磁感應(yīng)原理和渦流這一教學(xué)內(nèi)容，將Ansys Maxwell電磁仿真軟件引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在Ansys Maxwell軟件環(huán)境下建立平面變壓器三維電磁模型，對(duì)渦流損耗進(jìn)行仿真分析對(duì)比。由于平面變壓器的繞組結(jié)構(gòu)對(duì)其損耗特性有一定影響，這里選擇原、副邊不交錯(cuò)模式和原、副邊交錯(cuò)模式進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6～8分別為非交錯(cuò)繞組與交錯(cuò)繞組三維電磁模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 兩種繞組結(jié)構(gòu)的平面示意圖

圖7 非交錯(cuò)繞組三維電磁模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 交錯(cuò)繞組三維電磁模型結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用Ansys Maxwell 3D軟件中的電磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、瞬態(tài)場(chǎng)分析模塊，分析求解一定高頻條件下，不同繞組方式平面變壓器的漏感與渦流特性。仿真條件設(shè)置為：Ui＝270 V，U0＝28 V，Pmax＝1 kW，f＝120 kHz。

3.1 平面變壓器的漏感分析

圖9（a）、（b）分別為非交錯(cuò)繞組結(jié)構(gòu)和交錯(cuò)繞組結(jié)構(gòu)的工作磁通密度圖。由圖可見，交錯(cuò)結(jié)構(gòu)與非交錯(cuò)結(jié)構(gòu)變壓器磁芯都沒有出現(xiàn)磁通密度飽和的現(xiàn)象。

圖9 兩種繞組結(jié)構(gòu)變壓器磁通密度分布圖

表1為兩種繞組結(jié)構(gòu)下的漏感仿真數(shù)值，交錯(cuò)繞組結(jié)構(gòu)可大大降低平面變壓器的漏感。

表1 漏感仿真結(jié)果

3.2 平面變壓器的渦流損耗分析

根據(jù)變壓器仿真條件，首先分別計(jì)算出原、副邊的電流有效值。

副邊電流的有效值為：

副邊電流的有效值為28.05 A，原、副邊的變比為10。原邊電流的有效值

以上述計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，在電磁模型的原、副邊分別添加有效值為3 A、28 A的正弦電流，磁芯渦流損耗密度以及渦流電流密度如圖10、11所示。

圖10 非交錯(cuò)繞組渦流損耗及電流密度圖

圖11 交錯(cuò)繞組渦流損耗及電流密度圖

由圖10、11可見，非交錯(cuò)繞組結(jié)構(gòu)的渦流損耗密度和電流密度都要大于交錯(cuò)繞組結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步確定兩種繞組結(jié)構(gòu)的渦流損耗值，借助Ansys Maxwell 3D的渦流場(chǎng)積分器對(duì)變壓器磁芯損耗以及原、副邊繞組銅損進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。由表2可見，交錯(cuò)繞組在磁芯損耗以及原、副邊繞組損耗等方面的表現(xiàn)都要優(yōu)于非交錯(cuò)繞組，將原有總損耗降低了45%。在傳遞同等功率的情況下，交錯(cuò)繞組產(chǎn)生的損耗更低，提高了傳輸效率，可以極大的改善電源的性能。

表2 不同繞組下的損耗數(shù)據(jù)對(duì)比表 W

4 結(jié) 語(yǔ)

電氣類專業(yè)是許多高校廣受歡迎的熱門專業(yè)，其培養(yǎng)的是寬口徑復(fù)合型人才，許多課程非常適宜應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。不斷深入發(fā)展的虛擬仿真技術(shù)可以促進(jìn)教師授課模式的改革，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和內(nèi)容。本文設(shè)計(jì)的高頻平面變壓器渦流損耗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為解決高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)所面臨的困境，以服務(wù)電力電子高水平人才培養(yǎng)需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為目的。以第3代變壓器—平面變壓器為分析對(duì)象，借助Ansys Maxwell軟件對(duì)高頻條件下平面變壓器的渦流損耗和漏感開展虛擬仿真，幫助學(xué)生更好地認(rèn)知平面變壓器的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理、繞組磁通分布及漏感計(jì)算、高頻渦流效應(yīng)等多個(gè)抽象理論知識(shí)。該教學(xué)平臺(tái)通過緊密結(jié)合當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將具有一定科研特色的平面變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法發(fā)展為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可與理論教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步強(qiáng)化教學(xué)效果，助力“新工科”人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略舉措。