高频平面变压器绕组损耗新型计算方法

当今开关电源“短、小、轻、薄”的发展趋势，要求磁性元件具有呈高度扁平状的结构，平面变压器在国内外DCDC模块电源中得到了广泛的应用^[1]。为了减小开关电源中磁性元件的体积，需要不断地提高开关电源的工作频率，但是随着开关频率的提高，集肤效应和邻近效应引起的磁性元件绕组损耗明显增加。在平面磁性元件的设计过程中，为了快速得到平面磁性元件结构的最优设计，必须建立起完善的绕组损耗计算模型。
国内外针对高频绕组损耗进行的不少相关方面的研究，文献[2]最早提出了计算绕组损耗的一维模型，文献[3][4]提出了一维条件下，高频绕组集肤效应与邻近效应的正交性，文献[5]分析了集肤效应和邻近效应各自随工作频率、绕组厚度和绕组排布方式的不同对磁性元件绕组损耗的影响。但是这些研究主要针对于一维模型进行分析，忽略导体厚度，认为导体内部磁场强度仅是一维位置向量，忽略了磁场强度的另一纵轴分量，与实际的绕组损耗模型存在较大的差距。文献[6]提出了高频平面变压器绕组具有边缘效应的影响，通过有限元仿真给出磁性元件中绕组最佳位置及绕组间最佳距离。但是并没有给出具体的理论依据和计算方法。
本文针对平面磁性元件的矩形截面绕组，推导传统一维模型，并利用有限元仿真数据，分析传统一维模型计算精度低的主要原因。文章基于Maxwell电磁场微分方程，建立高频矩形截面导体交流损耗理论计算的二维模型，考虑了长导体边缘效应的影响及绕组排布方式对磁场分布影响，建立起修正的绕组损耗理论计算模型，最后通过有限元仿真数据验证二维模型计算方法的准确性和高精度。