大功率高频变压器绕组损耗计算与优化分析

由于开关电源技术的快速发展，电源装置在不断向着小型化和轻型化的方向前进。几十kHz的高频大功率变换器方案被不断完善，如半桥电路，全桥电路，boost电路等。这些电路具有结构简单，效率高，功率密度大等优点，已经被广泛应用于航天，电子通信，充电汽车等领域[1-3]。这些开关电路的核心部分是高频大功率变压器，其设计就显得尤为重要。但随着容量的增大，变压器的体积和重量也随之增大。为了减小变压器的体积和重量，可以提高器件的开关频率。一旦频率提高，绕组中的高频效应包括集肤效应和临近效应会使绕组损耗增大，这对变压器的设计和制作提出了更高的要求。变压器设计的不合理或者制作工艺的限制都可能会导致变压器过大的损耗，进而导致发热严重，甚至使变压器烧毁。同时不合理的绕组排布会使变压器的漏感过大，漏感值较大会使得开关管在动作的瞬间产生电压尖峰，造成损耗增大，严重的可以使开关管损坏。

本文从变压器绕组的不同绕制结构出发，通过磁芯窗口的磁场分布规律比较出不同绕组结构的绕组损耗以及漏感大小。其次由电磁场理论方程推导出在一维模型下的变压器绕组损耗和漏感的计算公式，并对不同绕组结构变压器的绕组损耗和漏感进行计算，最后由仿真验证了理论分析和计算的准确性，并得出绕组三明治结构能够明显的减小变压器的绕组损耗和漏感的结论。