第３２卷第１Ｏ期 计算机仿真 ２０１５年１Ｏ月 文章编号：１００６—９３４８（２０１５）１０—０１４９—０５ 关于开关电源变压器变换效率优化设计 杨旭峰，韩 闯，李彦斌 （空军工程大学防空反导学院，陕西西安７１００５１） 摘要：在开关电源变压器变换效率的优化设计中，减小寄生参数能提高变压器的变换效率，从根本上减弱寄生参数的影响是 变压器效率优化的难点。分析了反激变换器的工作过程，研究了变压器的漏感和分布电容对功率变换器变流品质损害的问 题，提出了采用交叉换位的绕组方式来减小变压器寄生参数的方法。在ＡＮＳＹＳ软件中建立变压器的绕组模型，利用有限元 分析法对绕组沿绕制方向的漏磁通密度进行了仿真，仿真结果表明交叉换位绕组方式减小了绕组间漏磁通密度，提高了变 压器的变换效率。 关键词：反激变换器；高频变压器；寄生参数；交叉换位技术 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ｂ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｉｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＹＡＮＧ Ｘｕ—ｆｅｎｇ，ＨＡＮ Ｃｈｕａｎｇ，ＬＩ Ｙａｎ—ｂｉｎ （Ａｉｒ ａｎｄ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａｎｘｉ ７ １００５ １，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｅ ｄｉｉｆｃｕｌｔｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｌｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ， ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｆｙｂａｃｋ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｄａｍａｇｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｖｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｅｒ— ｌｅａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｌｅａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｃａｎ ｄｅ— ｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｆｌｙｂａｃｋ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ；Ｈｉｇｈ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；Ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ 器的变换效率，但这种方式易受到设备体积等现实问题的限 １ 引言 制。文献［６］采用吸收变压器法抑制高频变压器分布电容所 反激变换器具有电气绝缘性好、电压升降范围宽、可同 造成的危害，这种方法可以降低分布电容的对于整个功率变 时输出多路等优点。目前，反激变换器在开关电源市场上应 换器的影响，但增大了变压器能量损耗，使变压器的转换效 用最广泛。随着开关电源工作频率的提高，变压器的寄生参 率降低。 数降低了整个电路中开关管的耐压性，使变压器工作的可靠 本文首先给出考虑寄生参数的变压器模型，分析了变换 性变差，甚至使整个变换器的变换效率和电流品质远远低于 器的具体工作过程，详细归纳了寄生参数对变换器及其器件 设计预期。因此，寄生参数对于变换器的影响越来越变得不 工作状态的影响，提出了采用改变绕组方式抑制变压器寄生 可忽视 －３］。漏感和分布电容是变压器的两种主要寄生参 参数的方法。该方法能够降低变压器的能量损耗，提高其转 数。很多研究人员研究了单一的寄生参数对于变换器的影 换效率，在不改变变压器体积的前提下从根本上减小变压器 响 Ｊ。而现实情况中漏感和分布电容同时存在并影响变换 的寄生参数对于变换器的影响。 器的工作状态。文献［５］从增大绕组高宽比等方面提高变压 ２变压器模型原理特点 收稿日期：２０１５—０５—１９修回日期：２０１５—０６—０３ 变压器寄生参数对于反激变换器的影响随着开关频率 －－———１４９．－－—— 的不同而不同。在开关频率较低时，只考虑漏感的影响是合 理的，但在高频时，分布电容对变换器的影响会越来越大，采 用只考虑漏感的变压器模型显然已经不能准确预测变换器 的工作波形及解释实际工作中遇到的特殊现象，需要考虑分 布电容和漏感的共同影响来建立变压器的模型，以便更接近 真实情况。 本文认为采用如图１所示的二端口网络作为变压器的 模型更适用于现实应用分析。图ｌ中的高频变压器模型分 别由理想情况下的电感、电容、电阻和变压器组成，其中Ｃ 、 Ｌ 分别表示原边分布电容、漏感以及励磁电感。 、Ｒ 分别表示与原边铜损及变压器铁损相对应的折算值。ｃ 和 分别表示副边分布电容以及漏感， 表示副边铜损相对 应的折算阻值。ｃ 代表原边和副边由于绕组结构形成的分 布电容。 图１高频双绕组变压器的二端口原理图 反激变换器多用于输入高输出低的变换情况，因此在对 模型进行原理分析时可以进一步做简化处理。一般情况下 变压器原边匝数较多，导致原边分布电容和漏感均较大。副 边匝数较少，因此分布电容和漏感均较小，低压输出时寄生 参数储能变化较小，对变换器的影响不大，在进行分析时可 以忽略副边绕组的寄生参数，得到如图２所示的变压器简化 模型 盈＝｝ｌ ＝ ，一ｍ｛［ ｛ Ｉｆ Ｉｆ［ ＼ 图２ 高频双绕组变压器简化原理图 ３ 反激变换器工作过程及寄生参数对其影响 ３．１反激变换器工作过程分析 ＲＣＤ反激变换器的工作模式分为连续导电模式（ＣＣＭ） 和断续导电模式（ＤＣＭ）。断续导电模式是变压器能量完全 传递的模式，可以实现开关管的零电流导通，减少了开通损 耗且没有二极管反向问题，因此应用较为广泛。本文以ＲＣＤ 反激变换器工作在断续导电模式为例，分析变压器的分布参 数对于高频高压反激变换器的影响，并给出了工作过程 分析。 假设输出滤波电容足够大，箝位二极管Ｄ 为理想器件， 所有电感、电容均为理想元件。考虑变压器的分布参数后， 变换器每周期共有四个工作过程，图４给出了主要工作 波形。 一１５０～ 图３ ＲＣＤ箝位反激变换器结构原理图 厂＼ ．｝ ｝ 厂＼ ｌ厂 ＿／ ｆ一 ｝ ｆ 图４反激变换器工作波形图 １）过程一 图５过程一工作原理图 反激变换器工作在断续导电模式时，每个周期中开关管 开通时，电流已经降到了零。因此在开关管开通之前变压器 原边绕组储能为零，此时Ｌ 、Ｌ 、Ｃ 储能均为零。开关管两端 的电势差为 ，结电容处于充电状态。ｔ＝ｔ。时刻开关管导 通，结电容放电，电源将对变压器的分布电容、漏感及励磁电 感充电。此时分布电容的两端电压发生突变，由 ｃ （１） 得，分布电容充电电流的最大值取决于开关管开通的快慢。 ｃ＝ 厶＋ＭＬ （２） 此时分布电容的电压在不断变化，故电感电压也在不断变 化，由 在ｔ：ｔ 时刻，变压器磁化电流线性下降，原边漏感中电 Ｌ Ｊ爿ｕ Ｌｄｔ （【 ３） 流消失。此过程中开关管承受的电压为： ＝ ＋（ｖｏ／￣），ｔ ：ｔ 时刻励磁电感中储存的能量传递结束。 ４）过程四 得，此时电感电流会出现一定的波动，波形如图４中ｔｏ一 所示。至ｔ＝ｔ，时刻，开关管完全导通，此时分布电容Ｃ 端 电压稳定为 ，由式（３）得此时流过漏感Ｌ 及励磁电感Ｌ 的电流ｉ 开始线性增加。至ｔ＝ｔ：时刻完成漏感及励磁电感 的能量存储。 ２）过程二 图６过程二工作原理图 在ｔ： ：时刻，原边漏感ｔ和励磁电感Ｌ 充电电流线性 增大至最大值，此时开关管关断。由 （４） 得开关管关断瞬间原边漏感 和励磁电感 产生巨大的 反向电动势，对开关管结电容和原边分布电容Ｃ 反向充电， 因此励磁电感 中的能量传递到副边时会出现一定的时间 延迟，如图４中ｉ 的波形所示。此后原边漏感－已 中储存的 能量将会与原边分布电容Ｃ 中储存的能量形成反复的充放 电过程，在电路中形成高频振铃，对变换器的电流形成谐波 污染，必须要对其加以吸收。加上ＲＣＤ箝位网络后，箝位电 容ｃ与原边分布电容ｃ 并联，使高频振铃的频率大大降低， 幅度也显著减小。当原边分布电容反向充电至 ＝一Ｖｏ／ｎ 时，副边二极管导通，副边电流 ：线性增加，原边励磁电感储 存的能量传向副边，此能量传输过程将一直持续到ｔ＝ｔ 时刻。 ３）过程三 圈７过程三工作原理凰 图８过程四工作原理图 在ｔ＝ｔ 时刻励磁电感中储存的能量为零，副边二极管 关断。由于电容和电感都是无损元件，故原边分布电容、漏 感和开关管结电容形成谐振，分布电容两端电压出现振荡。 ３．２寄生参数对反激变换器的影响 图９给出了变压器寄生参数的作用原理框图。 图９变压器寄生参数作用原理图 在开关电源中变压器的寄生参数以图中所示的方式对 变压器本身及功率变换器产生影响。结合图９所示原理及 反激变换器的工作过程进行分析，可以归纳出变压器的寄生 参数对ＲＣＤ反激变换器的影响，主要有以下几点： １）原边漏感对变压器产生影响。开关管 开通瞬间，对原边漏感充电，由于分布电容的电压不断 变化，导致漏感及励磁电感的端电压发生变化，漏感充电电 流产生尖峰，影响变压器工作的可靠性。 ２）变压器的分布电容影响其使用寿命。原边充电过程 中，分布电容两端电压发生改变，导致分布电容储能快速改 变，在电路中形成电流尖峰，影响变压器和开关管的耐压性， 进而影响整个变换器的使用寿命。 ３）由于原边电压较高，分布电容储存的能量较大，变压 一ｌ５１— 器绕组电压发生瞬变时，在变压器内部产生高频振荡环流， ：旦ｌｎ １Ｔ ０ （７） 使变压器损耗增大，且产生高频电磁辐射，降低了变压器的 变换效率，影响变换器中其它元器件的工作稳定性。产生的 高频振荡环流耦合到整个电路中，增加了电路中的电流谐 波，影响变换器电流品质。 ４）在能量传输过程中，原边漏感及励磁电感中电流线性 由此可得长为Ｚ的绕组间分布电容为 ｃ ＝＿‰ｑｇ ，ｒｒｅｌ （８） 式中：ｓ为绕组到体检绝缘材料的介电常数；Ｚ为两绕组正对 增加到最大，开关管关断瞬间，漏感及励磁电感产生巨大的 反向电动势。漏感的存在增大了反向电动势，降低了开关管 工作的可靠性。 ５）变压器原副边能量传输完毕后，由于电感、电容都是 无损器件，漏感、分布电容以及开关管结电容发生谐振，产生 振荡电压，影响变压器原边线圈的工作电压。 ４变压器寄生参数产生原因分析 ４．１漏感产生原因分析 漏感是变压器绕组之间不完全耦合所表现出的寄生效 应。耦合系数小于１时变压器绕组的空隙中会存在漏磁场， 漏感大小可以通过计算储存在绕组间的漏磁场能量来确定。 可以将这些磁场能量等效于储存在一个集中表示的漏感中， 这个漏感可以有下式计算得到 ÷ 二 ｋⅡｋ，２＝ １／二 ￣，Ｈ２ｄＶ （５） 式中： 是绕组气隙的磁导率；Ｖ为绕组中气隙的体积；Ｈ为 绕组中漏磁场的强度；，是绕组流过的电流。 ｋ 为变压器线 圈漏感。 ４．２绕组间分布电容产生原因分析 绕组问的分布电容是绕组问电场储能的表现，可以从电 容的基本定义推导而得。假设电容沿着绕组分布，可以把原 副边绕组看成两根半径为。的平行导线Ａ和日，中心相距ｄ， 如图１０所示。 图１０平行导线间分布电容示意图 假设原边绕组、副边绕组分别携带电荷ｑ、一ｑ，距离 的 中心 处Ｐ点的电场强度为Ｅ，则场强Ｅ为导线Ａ、Ｂ的电荷 分别在Ｐ点产生的电场强度 和Ｅ 的叠加。根据高斯 定理 Ｅ＝ ＋ ＝ ＋ （６） 方向是由Ａ指向Ｂ。两者之间的点位差 为 ＝ 一Ｅ ＝ 。ｆ～［÷＋ １＿］如 ～１５２一 的平均长度。 由以上分析可以看到变压器的寄生参数大小与绕组结 构及绕组布局有很大关系。 ５减小寄生参数影响的方法 变压器的寄生参数由于形成原因不同，所以相应的减小 寄生参数的方法也有区别。减小变压器的分布电容主要从 绕组的工艺设计方面来考虑，主要方法有：①ｚ型绕法；②分 段式绕法；③蜂窝式绕法。一般绕法的变压器分布电容已经 很小，再通过改变绕法来减小分布电容效果已经很不明显。 减小变压器漏感 的方法可以从以下方面考虑：①改 进变压器绕组的绕法；②在变压器绕组上加吸收器件，如吸 收变压器等；③减小开关管的漏极到变压器的引线长度。 ５．１ 交叉换位绕组结构及其仿真 对于高频变压器来说，漏感是一个十分重要的参数，由 于分布电容很小，可以忽略不计。由式（５）分析可知，减小变 压器的漏感可以从减小漏磁场分布的空间及减小漏磁场空 间的场强分布两个方面进行。基于以上分析，提出采用交叉 换位的绕组方式来减小漏感。交叉换位的绕组方式中由于 一二次绕组交叉换位，所以导通情况下一二次绕组的漏磁场 强度相互抵消，能够有效减小漏磁场强度，从而减小变压器 的漏感。 为了减小漏磁场分布的空间，绕组导线的直径应适量的 减小，以小于两倍趋肤深度为准。在绕制变压器时应务必使 一二次绕组紧密地耦合在一起。制作绕组时，首先围绕磁芯 缠绕变压器一次绕组一匝，然后缠绕变压器二次绕组的第一 匝，就这样一匝一匝交叉绕制，直至完成。通过交叉换位式 绕法，可以降低变压器的漏感，提高其变换效率。 为了验证不同绕组结构对于变压器漏感的影响，在ＡＮ— ＳＹＳ软件中建立了不同绕法的绕组模型，如图９所示，其中 黑色代表原边绕组，白色代表副边绕组，绕组方式分为三明 治式和交叉换位式，采用有限元分析的方法进行数值求 解 Ｉ９ Ｊ，并绘制了沿绕组绕制方向漏磁通密度的曲线。仿真 中使用ＯＲ４９９３８ＥＣ型铁氧体作为磁心材料，在５０ｋＨｚ时，额 定电压比为６００：３００，额定电流比为２０：４０，原副边匝数比 为２：１。 ５．２仿真结果分析 在图１２ａ中可以看出，三明治式绕组漏磁通的最小值为 １ｍＴ，最大值为２０ｍＴ。而图１２ｂ中，交叉换位式绕组结构的 漏磁通密度最小值为０．５ ｍＴ，最大值只有５ｍＴ左右，二者都 ６小结 ｎＩＰｌＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＨＩＩＩ¨ 口ＩＩＩＨＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩ＿ （ａ）三明治式绕组模型 随着反激变换器工作频率的不断提高，寄生参数对于变 换器工作的影响已经变得不可忽视。尤其是工作在高电压 情况时，变压器的分布电容和漏感储能大大增加，会严重影 响变压器的能量传输效率和工作可靠性。本文建立了变压 器的高频工作模型，分析了变换器的工作过程，归纳了变压 器的寄生参数对于变换器的影响，并基于以上分析，提出了 采用交叉换位技术改变传统的绕组方式来减小变压器漏感 的方法，并通过仿真验证了抑制措施的有效性。 （ｂ）交叉换位式绕组模型 图１１不同绕组结构模型 远小于三明治式绕组结构的相应值。因此交叉换位绕组结 构下的变压器漏感也大大降低。另外，由于原副边绕组交叉 换位分布，绕组匝间可以很好的耦合，因此变压器的工作稳 定性较高。由此可知，交叉换位式结构能够提高变压器的能 量传输效率，具有可靠性良好等优点，是一种能够有效减小 变压器漏感的绕组结构。 一＿ 枢 桓 耀 距离／ｍｍ （ａ）三明治式绕组漏磁通曲线 船 哲 理 距离／ａｒｍ （ｂ）交叉换位式绕组漏磁通曲线 图１２不同绕组结构沿绕制方向漏磁通密度曲线 参考文献： ［１］陆地，李翔，王沛．基于变压器一维模型的漏感分析与研究 ［Ｊ］．电力电子技术，２０１１，４５（６）：８２—８４． ［２］董纪清，陈为，卢增艺．开关电源高频变压器电容效应建模与 分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７（３１）：１２１—１２５． ［３］ 赵志英，龚春英，秦海鸿．高频变压器分布电容的影响因素分 析［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（９）：５５—６Ｏ． ［４］ 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