CN102969128A - 平面变压器多层绕组并联的优化布置方法 - Google Patents

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旷建军
任小永
阮新波
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Abstract

本发明涉及一种平面变压器多层绕组并联的优化布置方法，该方法可以实现平面变压器副边为单绕组情况下2n(n为正整数)层绕组的电流均分，副边为中心抽头情况下3n(n为正整数)层绕组的电流均分，并且保证不工作的绕组由于临近效应产生的损耗最小，以此提高并联绕组各层的载流能力，减小绕组的损耗，提高系统效率。

Description

平面变压器多层绕组并联的优化布置方法
技术领域
本发明涉及一种平面变压器多层绕组并联的优化布置方法，应用于低压大电流DC/DC模块电源系统，属于功率电子变换技术范畴。
背景技术
随着大规模集成电路的迅猛发展，通讯、计算机等电子系统要求直流电源的供电电压越来越低、供电电流越来越大。高频变压器是直流电源中的重要元件之一，减少其损耗是十分重要的。
当电流较大时，为了提高导体的载流能力，一般可选用较厚的导体，这在直流和工作频率较低时的确是一个有效的方法。但对于工作在高频下的导体而言，其载流能力和损耗大小会受到集肤效应和邻近效应的影响。当考虑到集肤效应的情况下，导体厚度达到π个集肤深度时，导体损耗达到最小值，如果进一步增加导体厚度，由于高频涡流影响，导体损耗将增加，并达到某一极限值。当考虑到邻近效应时，电流在导体中分布更加不均匀，使最小损耗的厚度小于π个集肤深度。由此可见，如果采用传统的绕组布置方法，靠增加绕组厚度的方法来提高绕组的载流能力是行不通的。为了减少高频效应对厚绕组的影响，一般采用把厚绕组分割为薄导体的并联。但这样可以减少由于集肤效应产生的高频损耗，而薄导体之间存在着邻近效应，由此产生高频损耗，最终总的损耗并未减小。而且，并联薄导体之间绝缘层的高频电磁场强度不为零，它在并联的导体内部产生涡流，导致绕组损耗增加。因此为了提高绕组的载流能力，有必要研究如何设计变压器的并联绕组，以减少绕组损耗。
现阶段，各种用电设备对开关电源的要求越来越高，开关电源日益向高效率、高功率密度、小型化、薄型化方向发展。因此，采用表面贴装技术和平面变压器技术的模块电源是未来的一个发展趋势，有着广阔的应用前景。而模块电源中平面变压器多层绕组的布置方法是其中的关键技术之一，对其进行研究具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对模块电源中的平面变压器，提出其多层绕组并联的优化布置方法，以使得各层绕组能够均分电流，切实提高载流能力，同时减小绕组的损耗，提高系统效率。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种平面变压器多层并联绕组的优化布置方法，其特征是：
1）对于副边单绕组的平面变压器，其绕组的布置方式采用以四层绕组作为一个基本单元，并在该基本单元向两侧任意叠加扩展；
或者在该基本单元及上述叠加扩展后的单元的单侧或双侧增加一组原副边绕，且增加一组原副边绕组时遵循相邻相同原则；
上述基本单元的结构为两原边绕组居中或两副边绕组居中排布方式；
2）对于副边带中心抽头的平面变压器，其绕组的布置方式采用以三层绕组作为一个基本单元，并在该基本单元向两侧任意叠加扩展，且增加遵循相邻相同原则；
该基本单元由两个不同的副边绕组和一居中的原边绕组组成。
所述的遵循相邻相同原则是指，其中“相同”是指相同的原边绕组或副边绕组。
根据几何对称结构可以均分并联绕组电流的特性，以对其它绕组不产生影响为前提，对几何对称结构进行改进，形成更为灵活的绕组布置方式，实现平面变压器副边为单绕组情况下2n(n为正整数)层绕组的电流均分，以此切实提高并联绕组各层的载流能力，减小绕组的损耗，提高系统效率。
根据几何对称结构可以均分并联绕组电流的特性，以对其它绕组不产生影响为前提，对几何对称结构进行改进，形成更为灵活的绕组布置方式，实现副边为中心抽头情况下3n(n为正整数)层绕组的电流均分，并且保证不工作的绕组由于临近效应产生的损耗最小。
本发明与现有技术相比主要特点如下：
可以实现平面变压器副边为单绕组情况下2n(n为正整数)层绕组的电流均分；副边为中心抽头情况下3n(n为正整数)层绕组的电流均分，并且保证不工作的绕组由于临近效应产生的损耗最小。
附图说明
附图1是本发明单原边单副边绕组变压器示意图。
附图2是对称绕组布置图(4层)。
附图3是对称绕组布置图(8层)。
附图4是提出的绕组布置方法(6层)。
附图5是提出的绕组布置方法的推广(16层变到10层)。
附图6是中心抽头变压器的结构示意图。
附图7是提出的中心抽头变压器并联绕组布置方法(6层).
附图8是9层带中心抽头绕组变压器绕组布置方式。
上述附图中的主要符号名称：其中Pn表示原边第n层绕组，Sn表示副边第n层绕组。N p 为变压器原边绕组的匝数、N sa 和N sb 分别表示中心抽头变压器两个副边的匝数。i p 和i s 分别为变压器原边和副边的电流。“                                               
Figure 2012105422547100002DEST_PATH_IMAGE002
”和“
Figure 2012105422547100002DEST_PATH_IMAGE004
”分别表示电流方向垂直纸面向外和垂直纸面向里。
具体实施方式
下面结构实例对本发明进一步描述：
相关文献研究表明利用绕组结构上的几何对称性，可以使得电流在各并联绕组中分布一致。如附图1所示变压器，以4层绕组(原边由2层绕组串联而成，副边由2层绕组并联而成，构成一个2:1的绕组)来进行说明，附图2给出了其示意图。从附图2(a)中可以看出：若把绕组分为上下两部分，则这两部分在结构上是对称的，所以电流在这两部分的分布也是对称的，即流经并联绕组中S1中的电流等于流经S2中的电流。附图2(b)为4层绕组的另一种对称布置方案，故并联绕组中的电流在此布置方案中也是相等的。以附图2的两种绕组布置分别作为8层绕组布置的上下半部分，就得到两种8层绕组对称布置方式(如附图3(a)、(b)所示，其中原边由4层绕组串联而成，副边由4层绕组并联而成，构成一个4:1的绕组)。在附图3(a)中S1和S4中的电流相等，S2和S3中的电流相等。将它的上半部分拿出来研究(即为4层绕组)，在绕组结构上它是对称的，S1和S2中的电流相等，所以副边电流在各并联绕组中均分。同理在附图3(b)中，各并联绕组中的电流也是相等的。以附图3中两种绕组布置分别作为16层绕组布置的上下半部分，就可以得到两种使电流在各并联层中分布一致的两种16层对称结构。同理，可以得到32，64层…，即2n层(n为大于1的自然数)的绕组对称布置使电流在并联绕组中分布一致。但这种方法对绕组层数限制得太死。
对于理想变压器，满足关系式：
                           (1)
其中N p 和N s 分别为变压器原边和副边的匝数；i p 和i s 分别为变压器原边和副边的电流。附图3(a)为原副边变比为4:1的变压器，由8层绕组构成，其中原边由4层构成，每层为1匝，串联起来组成4匝，副边也由4层构成，每层为1匝，并联起来作为副边1匝。所以N p =4，N s =1，由式(1)可得：
Figure 2012105422547100002DEST_PATH_IMAGE008
                            (2)
由于原边为串联，所以原边每层中的电流都等于i p 。副边1匝由4层绕组并联而成，由于在附图3(a)的绕组布置中，副边电流在各并联绕组中均分，所以副边每层中的电流为i s /4。根据式(2)可知原边每层中的电流和副边每层中的电流都相等。由于副边是并联连接，并且各并联层上的电流都相等，所以按附图3(a)对称方法布置的各层并联绕组的交流电阻是相等的。
对于附图3(a)中的下面2层(即绕组层P4、S4)，由于这2层是原副边各1层，电流方向相反，同时由前面所述，它们的电流大小相等，所以在一维理想情况下，它们对附图3(a)中的其余各层产生的影响是相互完全相互抵消的，所以从附图3(a)中去掉这2层，所得如附图4所示的6层绕组布置，各并联绕组的交流电阻不变，保持相等。根据并联绕组中电阻值与电流的关系可知，电流在附图4中的并联绕组中均分。
可以将此方法推广到其它层数的绕组中去。如附图5所示，变比为8:1的基于绕组几何结构对称的16层绕组，从下面去掉原副边各1层，变成14层，根据以上原理可获得变比为7:1，电流在各并联层中均分的绕组结构。在14层的下面再去掉原副边各1层，变成12层，可获得变比为6:1，电流在各并联层中均分的绕组结构。在此12层的下面继续去掉原副边各1层，变成10层，可获得变比为5:1，电流在各并联层均分的绕组结构。按此方法可以得到使电流在4层、6层、8层、10层…,所有偶数层中各并联绕组电流分布一致的绕组布置方法，即可以实现平面变压器副边为单绕组情况下2n(n为正整数)层绕组的电流均分。
附图6为中心抽头变压器的结构示意图，副边由N sa 和N sb 两个绕组构成，分别通过电流i sa 和i sb ，这两个绕组是分时工作的。对于中心抽头变压器并联绕组的设计，主要针对两个方面：一方面是使电流在工作的副边并联绕组中均分；另一方面是在不工作的绕组中，由于邻近效应感应的涡流尽量小。
中心抽头变压器并联绕组的设计可以在副边单绕组情况的基础上进行分析。在附图6中，当绕组N p 和N sa 工作时，为了使电流在并联绕组中分布均匀，N p 和N sa 的绕组布置结构应该和无中心抽头变压器一致，同时为了使绕组N sb 中由于邻近效应产生损耗尽量小，绕组N sb 应该布置在磁场强度较小的地方；同样，当绕组N p 和N sb 工作时，N p 和N sb 的绕组布置结构应该和无中心抽头变压器一致，同时绕组N sa 应该布置在磁场强度较小的地方。
附图7(a)和附图7(b)为2:1的两种变压器绕组布置结构，图中原边由两层绕组P1和P2串联而成，构成原边两匝，副边两个绕组分别由两层绕组Sa1和Sa2或Sb1和Sb2并联而成，构成副边一匝。根据前面对普通变压器并联绕组的分析，这两种绕组布置结构，能使电流在并联绕组间均分。以附图7(a)的绕组结构为基础，把附图7(b)中的Sb1和Sb2在保持它们相对于原边绕组位置不变的情况下，加入到附图7(a)中，构成中心抽头变压器副边的一个绕组。这样就得到附图7(c)所示的一个2:1的中心抽头变压器。在一维理想情况下，当绕组N p 和N sa 工作时，根据安培环路定律，原边绕组层P1的下表面和P2的上表面电磁场强度为零，在绕组N sb 中由于邻近效应产生的损耗为零。同理，当绕组N p 和N sb 工作时，在绕组N sa 中由于邻近效应产生的损耗为零。在绕组N sa 和N sb 同时工作的续流状态，把附图7(c)中绕组结构中的原边绕组P1和P2层移出，剩下的绕组结构，根据前述副边单绕组变压器并联绕组的分析，能保证电流在并联绕组中的均分，但此时由于原边绕组所在位置的磁场强度不为零，将在原边绕组中引起涡流损耗，但相对于其它布置形式而言，这种布置方式所引起的总损耗最小。这种布置方式可以进一步推广，最终实现副边为中心抽头情况下3n(n为正整数)层绕组的电流均分，并且保证不工作的绕组由于临近效应产生的损耗最小。
实例一:
相当于在基本单元为四层绕组的结构基础上增加一组原副边绕组
普通单原边、单副边绕组变压器，其主要性能参数为：
l    输入电压 V in ：48V；
l    输出电压 V o ：5V；
l    输出电流I o ：20A；
l    拓扑结构：有源箝位正激；
l    变压器绕组层数：6层(其中3层绕组串联作为原边3匝绕组，另外3层绕组并联作为副边1匝绕组，构成变比为3:1的平面变压器)，具体结构如附图4所示。
实测副边并联三层绕组电流平均值分别从S1到S3依次为6.72A、6.69A以及6.76A，实现了良好的均流效果，效率比传统简单夹绕法上升1.8%。
实例二: 
相当于在基本单元为三层绕组结构时，采用三个基本单元的叠加扩展
单原边、副边中心抽头绕组变压器，其主要性能参数为：
l    输入电压 V in ：48V；
l    输出电压 V o ：5V；
l    输出电流I o ：20A；
l    拓扑结构：半桥变换器；
l    变压器绕组层数：9层(其中3层绕组串联作为原边3匝绕组，两个副边绕组分别由3层铜箔并联而形成副边1匝绕组，这样就构成变比为3:1的中心抽头平面变压器，具体结构如附图8所示。
实测副边A并联三层绕组电流平均值分别从Sa1到Sa3依次为3.41A、3.39A以及3.45A；副边B并联三层绕组电流平均值分别从Sb1到Sb3依次为3.39A、3.43A以及3.44A，实现了良好的均流效果，效率比传统简单夹绕法上升1.5%。
本发明可以按照以上方式进一步叠加扩展，布置成多种平面变压器结构。
由以上描述可知，本发明提出的平面变压器多层绕组并联的优化布置方法具有如下优点：
1、         可以实现平面变压器副边为单绕组情况下2n(n为正整数)层绕组的电流均分；副边为中心抽头情况下3n(n为正整数)层绕组的电流均分，并且保证不工作的绕组由于临近效应产生的损耗最小；
2、         优化布置方法的实际应用非常简单，方便进行推广扩展。

Claims (1)

1. 平面变压器多层绕组并联的优化布置方法，其特征是：
1）对于副边单绕组的平面变压器，其绕组的布置方式采用以四层绕组作为一个基本单元，并在该基本单元向两侧任意叠加扩展；
或者在该基本单元及上述叠加扩展后的单元的单侧或双侧增加一组原副边绕，且增加一组原副边绕组时遵循相邻相同原则；
上述基本单元的结构为两原边绕组居中或两副边绕组居中排布方式；
2）对于副边带中心抽头的平面变压器，其绕组的布置方式采用以三层绕组作为一个基本单元，并在该基本单元向两侧任意叠加扩展，且增加遵循相邻相同原则；
该基本单元由两个不同的副边绕组和一居中的原边绕组组成。
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