摘 要

本文主要阐述了磁集成技术在平面变压器中的应用。由于电力电子技术的快速发展，各种电气元件都趋于高频化、小型化、集成化，而平面变压器又是近几年来运用愈来愈广泛的电气元件之一，因此，将磁集成技术运用于平面变压器将具有良好的前景。磁集成平面变压器结合了磁集成技术与平面变压器的优点，在传统变压器的基础之上不仅提升了性能，减小体积，美化设备外形，还能减小电流脉动和电流纹波，提高功率密度。本文系统的介绍了磁集成技术，从磁集成技术的发展历史出发，简要介绍了磁集成技术的定义和分类，介绍了类比法，对偶法等几种常用的磁集成建模方法，并将其运用到平面变压器的集成结构当中，从而建立起等效的磁集成模型，然后再应用几种常用的磁路模型分析方法建立起等效的磁路模型，从而建立磁路方程，求解电气量参数。

综合比较几种不同的磁集成方案的优缺点并结合工程中的实际制作工艺，从这几个角度考虑，重点介绍了用漏感来进行磁集成的技术方案，通过改变传统变压器绕组的绕制方式，能够增大并灵活控制漏感，便于集成。最后使用Maxwell进行建模仿真，得出结论。

关键词：磁集成技术，平面变压器，漏感，磁路分析，有限元仿真

Abstract

This paper mainly describes the application of magnetic integration technology in planar transformers. Due to the rapid development of power electronics technology, various electrical components tend to be high-frequency, miniaturized, and integrated, and planar transformers are one of the more widely used electrical components in recent years. Therefore, magnetic integration technology will be adopted. It will have good prospects for use in planar transformers. The magnetic integrated planar transformer combines the advantages of magnetic integration technology and planar transformer. On the basis of the traditional transformer, it not only improves the performance, reduces the volume, beautifies the shape of the device, but also reduces the current ripple and current ripple, and improves the power density. This paper introduces the magnetic integration technology. From the development history of magnetic integration technology, it briefly introduces the definition and classification of magnetic integration technology, and introduces several commonly used magnetic integration modeling methods such as analogy and duality. Apply to the integrated structure of the planar transformer to establish an equivalent magnetic integration model, and then use several common magnetic circuit model analysis methods to establish an equivalent magnetic circuit model to establish the magnetic circuit equation and solve the electrical parameters.

Comprehensively compare the advantages and disadvantages of several different magnetic integration schemes and combine the actual fabrication process in the project. From these perspectives, the technical solutions of magnetic integration using leakage inductance are introduced, and the winding of traditional transformer windings is changed. The way to increase and flexibly control the leakage inductance is easy to integrate. Finally, using Maxwell for modeling and simulation, I came to the conclusion.

Key Words: Magnetic Integration technology, Planar transformer, Leakage inductance, Magnetic circuit analysis, Finite element simulation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2磁集成技术及国内外现状 2

1.2.1国外现状 2

1.2.2国内现状 3

1.2.3发展趋势 3

1.3课题研究内容及目标 3

第二章 磁集成技术 4

2.1引言 4

2.2磁集成技术的定义 4

2.3磁集成技术的分类 5

2.3.1构建单独的磁通回路 5

2.3.2引入低磁导率磁芯 7

2.3.3利用漏感来进行磁集成 7

2.4本章小结 8

第三章 磁路模型分析 10

3.1引言 10

3.2磁件建模分析方法 10

3.2.1类比建模法 10

3.2.2对偶变换法 11

3.2.3源转移等效变换法 12

3.3解耦集成 12

3.4本章小结 13

第四章 磁集成平面变压器及仿真 15

4.1磁集成平面变压器 15

4.1.1平面变压器简介 15

4.1.2等效模型 16

4.1.3 参数计算 17

4.2 Maxwell建模仿真 22

4.2.1建模仿真分析 22

4.2.2仿真结果 24

4.3本章小结 27

结论 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

随着电气信息化时代的高速发展，电力电子技术中的开关电源发展迅速，人们对于大功率，低电压，高电流的的电子器件的需求日益增强，对磁性器件的设计更倾向于小型化，绿色化，集成化和高效率。同时在电力系统中有各种各样的随时间而不断变化的负荷，这些负荷的变化会影响电力系统中有功功率和无功功率的分布，从而在不同程度上增加了电力系统中电能的消耗，这对于高电压长距离大功率电能运输时非常不利的，电能的消耗必然对于电力运输的经济性和稳定性造成不可忽视的影响。因此，在工程中希望减小设备的体积与外形，从而降低电能运输中由设备问题产生的损耗，提高电能质量和电能运输的效率，这也有利于提高电力系统运行的稳定性与经济性。随着科学技术的发展和电力运输问题的日益突出，国内外一些专家提出了使系统集成的概念，将系统中原来一些分立运行的器件或设备通过一定的技术和手段集成起来，使之成为一个集成结构的整体，从而能够减小设备体积。并且在如今电力电子技术迅速发展的今天，运用一些技术成熟的先进设备不仅能够美化设备外形，还能在原有的基础上提高设备性能，提高效率，从而能够提高电力系统的效率和速度，同时也能够制造出质量和功能都更为强大的电力电子器件。

磁集成技术^[1]是近几年来发展迅速的一种典型的集成技术。如将分立的器件集成在一副磁芯上，通过多个器件之间电气参数之间的配合，如磁通关系、电感之间的配合、电流关系等形成集成磁件。不同的磁集成技术所应用的手段和场合不尽相同，然而它们都有一个共同的特点，就是通过集成技术的应用能够有效减小电力设备的体积并能够美化设备外形，减小电流纹波提高效率，这正是如今电力系统中高电压大功率输电工程所追求的目标之一。加之近几年来对软磁材料的深入研究和其快速发展，磁集成技术理论越来越成熟，应用的范围也越来越广泛，被广泛应用于电力电子器件的制造和开发。最早的磁集成概念是由于对耦合电感的研究而提出来的，然而随着磁集成技术几十年来的发展和人们对于磁集成不断深入的理论研究与工程试验，如今的磁集成技术不仅用于电感之间的耦合，也可用于电感与变压器之间的集成，还可用于集成变压器。

与传统变压器相比，平面变压器^[26-28]因为它特殊的平面结构和紧凑的耦合关系，从而在高频条件运行时相比于传统的变压器降低了一些高频寄生参数，在高频电源中具有损耗小，体积小等优势。加之近几年对于软磁材料的研究和分析取得了新的发展与进步，于是人们对于平面变压器的研究更加重视和深入。平面变压器和平面集成技术愈来愈成为电力电子技术领域的主要研究方向。

变压器是电力系统中必不可少的电力器件，特高压输电也是近几年电能运输的重大项目，于是电能转换的效率和电能质量就成为需要考虑的重要因素。从电力系统运行的稳定性和经济性来分析，将磁集成技术和平面变压器结合起来的磁集成平面变压器就应运而生，本文旨在从理论上分析磁集成变压器的漏感和励磁电感等参数并结合仿真分析其可行性。大功率小体积的变压器将更有利于电能的转换和运输，从而提高电力系统的各个方面的性能。

1.2磁集成技术及国内外现状

1.2.1国外现状

磁集成技术最早是由G.B.Crouse于1928年提出的磁件集成的概念^[3]而引出和发展起来的，最早用于滤波电路中的耦合电感这一方面的研究，如下图所示。

（a）采用DM的滤波电路 （b）采用IM的滤波电路

图1.1 滤波电路

由于设计磁集成技术的研究人员不多和当时理论知识水平有限，此后有关磁集成技术的研究都仅仅局限于耦合电感之间，因而那一阶段磁集成技术发展较为缓慢。而真正将磁集成技术用于变压器和电感的集成得益于J.Ceilo和H.Hoffman在1971年提出的推挽变压器的概念，这一概念的提出实现了变压器与电感的集成，打开了磁集成技术领域的新世界，直到现在，变压器与电感的集成仍然是运用最为广泛的磁集成结构，之后磁集成技术就被用于各种不同磁性元件之间的集成，出现了多种不同类型的集成磁件。然而真正引起人们对于磁集成技术的关注是在上个世纪70年代末磁集成技术被成功的用于cuk变换器中，减小了变换器中的电流纹波和脉动，这一结果引起了研究人员的广泛关注。在此之后，越来越多的人开始研究磁集成技术，因此磁集成技术在此期间得到了迅速的发展。然而由于集成磁件结构复杂，设计难度大，制作困难，因而在一段时间内磁集成技术的应用场合很难推广。直到上个世纪90年代，扁平磁件的研究和发展进一步简化了磁集成技术的应用，平面变压器的出现和PCB工艺的运用很大程度上促进了磁集成技术的发展。1997年，Wei Chen把磁集成技术成功应用到倍流整流电路^[4]中，提高了原有整流电路的功率密度，这一成就促使了磁集成技术的研究方法不再局限于具体的拓扑电路而逐渐向理论分析和仿真模型方面发展，拓宽了磁集成技术的运用领域。

1.2.2国内现状

国内关于磁集成技术的研究开始的较晚，目前尚处于起步阶段，且涉足该研究领域的研究者也较少。最早是在《开关稳压电源》一书中有简单的一些介绍。然而磁集成技术的正式引入是由清华大学的蔡宜三教授于1993年完成的，其较为全面的介绍了磁集成技术的理论分析方法，包括一些集成磁件建模方法的分析和工作原理的介绍，从而弥补了国内关于磁集成技术这一块的研究空白。国内研究磁集成技术的一些机构，结果比较突出的有南京航空航天大学的陈乾宏教授关于磁集成技术在开关电源中的应用分析，其发表了一系列较为成熟的研究成果。除此之外还有上海台达电力电子中心以及福州大学等国内高校在进行相关研究，但是国内关于磁集成技术的资料和研究报道目前还比较少。

1.2.3发展趋势

随着磁集成技术的快速发展，以下几个方面将是其未来集中的发展方向：

（1）为了实现电感与磁件的集成，来达到实现电路与磁路的结合的目的，类似的国内外专家正在致力于研究电容与磁件的集成；

（2） 磁集成技术的研究将不再局限于传统的磁性材料而向着新型材料发展；

（3）进一步拓宽磁集成技术的应用与发展领域；

（4）将磁集成技术与平面制造工艺结合，如磁集成平面变压器；

（5）研究集成磁件的动态特性。

1.3课题研究内容及目标

本文旨在研究磁集成技术与平面变压器的结合，通过分析对比不同的磁件建模分析^[2-28]方法并对比其优缺点，找出适用于本课题研究内容的磁集成平面变压器，从工程实际操作出发用制作工艺最为简单，成本最低的磁集成技术来集成电感与变压器，建立起磁集成变压器等效模型，运用磁路分析方法^[5-16,19-28]建立起等效模型来分析等效磁路，并且运用对偶分析方法利用磁路欧姆定律建立磁路方程求解磁路参数。本课题研究内容主要在分析一系列的磁路等效模型并求解磁集成变压器的支路磁通，励磁电感与漏感^{[16-17,26-28]}等电气参数，找出最适用于工程实际制作的磁集成技术方案。最后通过磁场仿真软件Maxwell建立仿真模型，应用其有限元分析功能进行仿真，将仿真结果与理论分析进行比较分析得出结论。

第二章 磁集成技术

2.1引言

磁集成技术是一种有着较长发展历史的电力电子技术，其最初是由国外科学家针对耦合电感这一研究而提出来的磁件集成的概念。因此，在这一概念提出之后的相当长一段时间，磁集成技术仅仅局限于耦合电感的研究，导致其发展在一段时期内比较迟缓，而后随着研究人员的增加和电力电子技术不断发展所追求的软件和硬件的提升，这一技术被越来越多的研究人员所关注，磁集成技术才逐渐打开了它在电力电子技术中的局面，不断深入的研究和技术的发展，如今磁集成技术应用的范围也越来越广。本文先介绍了磁集成技术的定义，从最基本的原理介绍开始阐述，接着介绍了磁集成技术的分类，由于集成的磁性元件是分立的，不同的磁件其运行时的性能也不尽相同，因此要实现不同种类磁件的集成，形成多种多样的磁集成结构，就需要充分考虑参与集成磁件之间的联系，使用不同的电气参数来进行集成，因而利用的技术手段就存在差异，加之磁集成技术几十年来的发展，其中的一些理论知识已经较为成熟，也已成功应用在多种电力电子设备中，从而形成了如今多种多样的磁集成技术。

2.2磁集成技术的定义

在电力电子设备中，变压器和电感器等磁性元件是用于储能，能量传递，电流隔离，滤波和功率分配的重要设备。电力电子电路通常需要使用多个磁性元件。变压器、电感等由于能够实现磁能的储存与传递以及电气隔离等功能因而被称为磁性元件，由于它们在整个装置的体积中占有相当的比例，因此磁性元件对于设备效率和功能的提高具有较高的影响。因此将磁性元件通过电气参数等一系列的配合集成化能够有效的减少装置的体积，减轻重量，消除电流电压纹波或降低电压电流应力。随着电气信息化时代的高速发展，电力电子技术发展迅速，人们对于大功率，低电压，高电流的的电子器件的需求日益增强，对磁性器件的设计更倾向于小型化，绿色化，集成化和高效率。因此磁件的集成化越来越受到人们的关注，磁集成技术也逐渐成为电力电子技术中深入研究的重要领域和方向。

磁集成技术，顾名思义，重点和核心也就在于集成二字。所谓磁集成，就是将分立的磁性元件通过一系列电气参数的有效配合集成在同一个磁芯上，形成一个相互影响相互配合的磁集成整体。通过分析可知磁集成技术的运用不会影响设备原有的性能或者集成结构中其他磁件在运行时的功能。可利用电路结构中的磁通关系，磁链关系或者电感关系等，不同的磁集成技术采用不同的集成手段，但它们都能够有效减小装置体积并且美观外形。在设备性能方面也有不同程度的提高，如减小电流纹波，电流脉动，降低磁芯损耗等，在传输相同功率时，由于整体体积的减小，从而提高了功率密度。如今在电力系统中往往需要跨省输电，这种高电压远距离输电项目中，输送的电能质量和输送效率成为我们日益关注的问题，而磁集成变压器的特性将会为电力系统的稳定性与积极性与带来一定的益处。

2.3磁集成技术的分类

将多个分立磁件结合起来的关键就是实现磁芯与绕组的有效结合，要实现这个目的，磁芯结构就需要有多个分支实现绕组的集合。在集成磁性的综合中，由于要求的不同，很难概括出一套固定的规则供设计人员遵循。但是，以下规则应该是设计人员应该遵循的：如果有两个或更多来自不同组件的磁性元件的磁通量相加或相减，磁集成结构的不同部分中的磁通密度可能变得非常不均匀，这时就必须注意确保具有最高磁通密度的部件不会饱和，才可以顺利完成磁集成；由于绕组布置的限制，集成磁件中的变压器可能比平时的独立变压器相比有更大的漏电感，漏感增大所带来的损耗问题业不可忽视，这些都是进行元件磁集成时所要考虑的问题。从这些方面出发，磁集成技术可被分成下面将要介绍的几种。

2.3.1构建单独的磁通回路

利用集成磁技术，可以通过共享磁路在一个磁芯中构建多个磁性部件，不同磁件的磁通都通过这个共享磁路但是互不干扰互不影响，因此通过这种磁集成，可以减少组件的总数。并且共享磁路的存在，可以减少磁通波动，因此，利用构建单独的磁通回路这种磁集成技术，为集成的磁件提供单独的磁通回路，使得不同的磁件之间的磁通互不影响，没有耦合作用，既可以减小体积又能不影响磁件性能，从而可以构造高效率和高功率密度的磁性集成元件。

（1）为了集成两个磁性元件，通常需要三个磁路。在LLC谐振转换器中，尽管有三个磁性元件，但磁化电感和变压器可以构建在气隙变压器内。因此，只需要集成两个磁性元件：串联谐振电感器和间隙变压器，对于磁集成变压器，传统的EE核心结构将是一个合理的选择。从分立设计中，只需将它们与EE核心组合在一起，两个磁性组件就可以集成为一个，如图2.1所示。对于这个设计，电感和变压器设计是分离的，在所有输入电压范围内，这种集成结构的磁通密度只有分立设计结构的一半，远小于电感支路。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：