英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
紧凑型平面变压器的设计，建模和分析
Snezana Djuric , Goran Stojanovic , Mirjana Damnjanovic , Milan Radovanovic , and Eric Laboure
University of Novi Sad, Faculty of Technical Sciences, 21000 Novi Sad, Serbia
LGEP/SPEE Labs-SUPELEC, 91192 Gif sur Yvette Cedex, France
本文介绍了一种平面变压器的新设计, 在扁平核心的表面上, 曲流式设计被刻上, 使对称调整的初级和次级线圈, 可以适应雕刻的设计, 初级线圈和次级线圈被另一个扁平磁芯覆盖，从而形成紧凑的平面变压器, 初级和次级线圈的绕组印刷在PCB的两侧。上层和底层绕组的导电条通过通孔连接, 当初级线圈和次级线圈有核心和没有核心时分析变压器。通过有限元建模软件和阻抗分析仪HP4194A获得变压器的高频参数，频率范围为50 kHz至1 MHz, 该变压器旨在用于DC-DC转换器, （用于开关频率高达数百kHz）。
一 引言
当前电流技术需求是低成本，减小了部件的尺寸和重量，不幸的是，变压器是遵循这些趋势的最后组件，由于它们的坚固性和昂贵。但是，高效率开关电源需要小型，薄型且可安装的磁性元件。满足磁性元件的这些要求的一种解决方案是LTCC（低温共烧陶瓷）技术。这种方法提供了平行的制造工艺，使成本降低，尺寸减小和厚度很小。LTCC铁氧体变压器的一些设计在[1] - [3]，
另一种解决方案是平面技术。用于DC / DC转换器中的磁性元件的平面磁技术和技术的综合调查[4]。 E型磁芯通常用于在平面变压器中楔入PCB绕组或铜箔绕组[5] - [7]。适用于低功率级应用, 可以使用无芯PCB变压器。初级绕组和次级绕组在电介质层压板的两侧蚀刻并且被自粘合铁氧体聚合物复合材料覆盖以屏蔽磁通[8]，[9]。使用涂有铜片的铁氧体板可以提高屏蔽效果，从而抑制铁氧体板内部的H场的法向分量[10]。高频平面变压器，在[11]中描述了铁氧体板和无芯变压器的组合，PCB的上层和底层的带状线通过过孔连接以形成初级线圈和次级线圈的螺旋环。本文讨论了一种紧凑型平面变压器的新设计。 对称调整的初级线圈和次级线圈适合铁氧体板的雕刻表面，并用其他铁氧体板覆盖
与使用E型铁心或变压器的变压器相比，这种紧凑型设计降低了变压器的厚度，其中两个铁氧体板楔入印刷线圈的PCB。第二部分介绍了变压器的设计。 在第三节中，描述了COMSOL Mul-tiphysics对变压器的建模。第四节讨论变压器高频参数的仿真和测量结果，
图1紧凑型平面变压器的三维结构
二． 紧凑型平面变压器设计
图1给出了一个紧凑的平面1：1变压器的三维结构。印刷电路板（印刷电路板 - 印刷电路板）的两侧印有0.1毫米铜厚（图1中的蓝色） FR4为1.6mm厚，图1中为绿色）并通过通孔相互连接，从而形成初级线圈和次级线圈。对称初级和次级线圈的几何参数如图2所示。导体的宽度是2.45毫米，曲折拱的半径为4.75毫米，匝间距为12.75毫米。
市售的Ferroxcube E43 / 10/28 3F3内核，平均晶粒尺寸约为10，如图3所示，被加工成使得一个线圈是平坦的并且在另一个线圈的表面上已经雕刻有图案以使得初级线圈和次级线圈能够适合雕刻设计，如图1所示, 这个特殊的核心被使用是因为它的尺寸适合于实现变压器的可接受的几何参数和合理的处理时间而不会破坏核心。
由于Ferroxcube 3F3铁氧体磁芯的高相对磁导率（2000 20％），磁芯可以快速进入饱和状态。 主要和次要线圈, 以及铁氧体磁芯的有效横截面积，都是以适当的方式设计的，即操作磁通密度小于饱和值. 因此, 铁氧体磁芯不会饱和，其运行对于所提出的应用而言几乎是线性的。
图2初级和次级线圈的几何参数。
图3.用于变压器制造的铁氧体磁心的SEM显微照片。
三 变压器的建模
使用有限元建模软件（COMSOL Multiphysics）分析磁通量分布和高频参数，如电感和电阻。由于存储器和时间要求苛刻的软件，由于对称的变压器设计，只分析了一个线圈。曲线线圈在没有芯和有芯的情况下进行分析。 Feroxcube 3F3铁氧体磁芯的相对磁导率 ,和电阻率,分别为200020％和2 , 。 在模拟中采用 = 2000。选择在频域中的3D磁场接口，其中假设
(1)
(2)
其中 表示磁通密度, BIAO 磁场强度，外部产生的电流密度，磁矢量电位，导电性， 角频率， 真空介电常数, 相对介电常数。
图4.无限元素区域需要扫描网格以保持良好的元素质量。
图5.从0（蓝色）到1（红色）的模型的网格质量。
空气域是一个球体，如图4所示,为了在开放边界处截断几何形状，当在没有核心的情况下分析线圈时使用无限元素。虽然, 当由于磁芯内的受限磁通量而对线圈进行磁芯分析时并不是必须的。
用户定义的集总端口用于激励线圈。无限元素区域需要扫描网格以保持良好的元素质量，其余的几何形状由自由四面体单元网格化，如图4所示, 元素的大小很粗糙。模型的网格质量如图5所示，在从0（蓝色）到1（红色）的范围上.
磁通量分布如图6和图7所示, 当没有核心时，磁通量分散在空气中如图6所示。如第II节所述，当线圈被铁氧体包围时，磁通被有效地限制在铁心内，如图7所示。
四 讨论
平面变压器原型的高频参数通过有限元建模软件（COMSOL Multiphysics）和阻抗分析仪HP4194A在50 kHz至1 MHz的频率范围内获得。 在图8中示出了制造的小型平面变压器的原型，图9显示了其电气特性的实验装置。
图6.没有芯线的曲折线圈周围的磁通量分布。
图7.带有磁芯的曲折线圈周围的磁通分布。
图8.紧凑型平面变压器的原型。
至于对称的变压器设计，只给出一个线圈的结果。 当线圈没有芯线和芯线时的电感模拟值如图10所示。电感值从后处理中获得
(3)
图9.紧凑型平面变压器电特性的实验装置。
图10.线圈没有芯线和芯线时的电感模拟值和测量值。
其中是集总端口阻抗的虚部和 是频率。在更高的频率, 两种情况下的电感几乎不变，但有核心时增加约15 nH，由于核心的高渗透性。图11显示了电阻的模拟和测量值。这些值也是从后处理中获得的
R= (4)
其中是集总端口阻抗的实部。 在较高的频率下，由于线圈中的趋肤效应，电阻的斜率增加,在较高的频率下，由于线圈中的趋肤效应，电阻的斜率增加。模拟结果和测量结果之间存在差异，如图10和图11所示, 模拟值和测量值之间存在差异的原因有两个。第一个原因是由于测量设置。变压器的型号没有考虑用于将变压器连接到阻抗分析仪的额外电线。第二个原因是气隙。气隙是制造过程的结果，所以它的尺寸不像组件制造时那样准确定义。 因此，精确模拟气隙的尺寸很困难。耦合系数的计算值在图12中给出耦合系数确定为
(5)
图11.线圈没有芯线和芯线时的阻抗仿真和测量值。
图12.线圈没有芯线和芯线时耦合系数的测量值。
其中是互感，和分别是初级线圈和次级线圈的电感的测量值。 互感M从公式计算
LSC=LP LS 2M (6)
其中LSC是初级和次级线圈串联时的测量电感，测量LP和LS分别。 当没有铁芯时，初级和次级线圈之间的耦合很低，只有0.1。，当初级线圈和次级线圈放入雕刻设计中时，如图1所示, 耦合从较低频率处的0.4增加到较高频率处的0.5。
五，结论
本文分析了一种新设计的紧凑型平面变压器。通过有限建模软件（COMSOL）和阻抗分析仪分析其高频参数。分析变压器时没有内核和有内核。
使用铁素体核心，与无芯变压器相比，电感增加了22％。由于第三部分描述的测量设置和选择模型，电感和电阻的仿真值和测量值之间存在差异。通过这种紧凑的设计，获得了中等范围（约0.5）的耦合系数，这与公开文献相当。在未来的工作中，重点将是隔离铁氧体表面的初级和次级线圈，
REFERENCES
- G. Stojanovic, A. Maric, G. Radosavljevic, E. Labure, and W. Smetana, “Performance analysis of LTCC transformers for application in DC/DC converters,” in Proc. 14th Int. Power Electronics and Motion Control Conf. , 2010, pp. T2-174–T2-178.
- A. Roesler, J. Schare, and C. Hettler, “Integrated power electronics using a ferrite-based low temperature co-fired ceramic materials system,” in Proc. 60th Electronic Components and Technology Conf., 2010, pp. 720–726.
- A. W. Roesler, J. M. Schare, S. J. Glass, K. G. Ewsuk, G. Slama, D. Abel, and D. Schofield, “Planar LTCC transformers for high-voltage flyback converters,” IEEE Trans. Compon. Packag. Technol., vol. 33, no. 2, pp. 359–372, Jun. 2010.
- C. Quinn, K. Rinne, T. Orsquo;Donnel, M. Duffy, and C. O. Mathuna, “A review of planar magnetic techniques and technologies,” in Proc. 16th Annu. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. (APEC), Mar. 2001, vol. 2, pp. 1175–1183.
- W. Chen, Y. Yan, Y. Hu, and Q. Lu, “Model and design of PCB parallel winding for planar transformer,” IEEE Trans. Magn., vol. 39, no. 5, pp. 3202–3204, Sep. 2003.
- J. Lu and F. Dawson, “Characterization of high frequency planar trans-former with a novel comb-shaped shield,” IEEE Trans. Magn., vol. 47, no. 10, pp. 4493–4496, Oct. 2011.
- Z. Ouyang, O. C. Thomsen, and M. A. E. Andersen, “Optimal design and tradeoffs analysis of planar transformer in high-power DC-DC con-verters,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 7, pp. 2800–2810, 2012.
- S. C. Tang, S. Y. Hui, and H. S. Chung, “Characterization of coreless printed circuit board (PCB) transformers,” IEEE Trans. Power Elec-tron., vol. 15, no. 6, pp. 1275–1282, Nov. 2000.
- S. C. Tang, S. Y. Hui, and H. S. Chung, “A low-profile power con-verter using printed-circuit board (PCB) power transformer with ferrite polymer composite,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 16, no. 4, July 2001.
-
S. C. Tan
全文共5884字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13734]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
