开关电源中磁性元件的优化设计

摘要

磁性元件是开关电源的重要组成部分，提高电路的整体性能，其中关键的一个因素就是磁性元件的优化设计。高频时，损耗是磁性元件设计的重要依据。磁性元件的损耗包括磁芯损耗和绕组损耗。对磁性元件损耗的研究具有重要的工程意义。本论文以一台510W两级式车载开关电源为研究对象，研究其中的三个主要磁性元件:PFC电感、主变压器和输出滤波电感的优化设计问题。
　　本论文首先阐述了车载开关电源的结构和工作原理，随后从Maxwell电磁场方程出发，得出一维情况下铜箔的损耗机理，同时论述了典型的二维有限元仿真模型。其次，从磁性材料、磁芯结构、绕组结构和气隙分布这四个方面对磁性元件的优化设计进行分析，总结出磁性材料和磁芯形状的选用方法，论述了磁性元件的高频效应，讨论了绕组交错排列和绕组并联均流方法，比较了不同绕组中的气隙扩散磁通和旁路磁通对损耗的影响;同时结合有限元仿真，研究了绕组结构的变化、绕组的边缘效应和气隙的不同分布状态对磁性元件参数造成的影响，得出相应的仿真结果。
　　本论文最后基于理论分析和仿真结果，详细阐述了车载开关电源中磁性元件的设计过程，实验结果表明优化后的磁性元件性能优良，验证了优化方法的可行性。

目录

摘要

注释表

基本变量表

第一章 绪论

1．1 本论文研究意义

1．2 磁性元件优化设计研究概况

1．2．1 磁性元件在开关电源中的作用

1．2．2 国内外研究现状

1．2．3 磁性元件优化设计热点问题

1．3 本论文主要研究工作

第二章 车载供电电源

2．1 车载供电电源结构

2．2 功率因数校正器

2．2．1 功率因数校正基本原理

2．2．2 Boost型PFC电路

2．2．3 Boost型PFC工作模式

2．2．4 Boost型PFC控制方法

2．3 不对称半桥变换器

2．3．1 软开关技术

2．3．2 不对称半桥结构

2．3．3 不对称半桥工作原理

2．4 磁性元件的仿真工具

2．4．1 有限元简介

2．4．2 Ansoft Maxwell 2D仿真软件

2．4．3 涡流场的Maxwell方程

2．5 磁性元件的仿真模型

2．5．1 Dowell一维模型

2．5．2 轴对称二维模型

2．6 本章小结

第三章 磁性元件优化设计分析

3．1 软磁材料

3．1．1 粉芯类

3．1．2 带绕铁芯

3．1．3 软磁材料的选用

3．2 磁芯的工作状态

3．2．1 Ⅰ类工作状态

3．2．2 Ⅱ类工作状态

3．2．3 Ⅲ类工作状态

3．3 磁芯的形状

3．4 绕组线圈

3．4．1 集肤效应

3．4．2 邻近效应

3．4．3 绕组线圈的选用

3．5 绕组结构

3．5．1 漏感

3．5．2 绕组交错

3．5．3 绕组并联

3．5．4 绕组的边缘效应

3．6 气隙分布

3．6．1 扩散磁通与旁路磁通

3．6．2 气隙的添加方式

3．7 本章小结

第四章 磁性元件优化设计仿真

4．1 绕组结构仿真分析

4．1．1 绕组交错排列仿真分析

4．1．2 绕组并联仿真分析

4．2 绕组边缘效应仿真分析

4．2．1 绕组间距对边缘效应的影响

4．2．2 绕组宽度对边缘效应的影响

4．3 气隙仿真分析

4．3．1 气隙位置对损耗的影响

4．3．2 分布气隙对损耗的影响

4．4 本章小结

第五章 实验设计与结果

5．1 PFC电感设计

5．1．1 初始条件

5．1．2 分步设计

5．1．3 设计校核

5．2 DC／DC变压器设计

5．2．1 占空比的选择

5．2．2 分步设计

5．2．3 设计校核

5．3 输出滤波电感设计

5．4 实验结果

5．4．1 PFC前置级波形

5．4．2 DC／DC后随级波形

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 进一步的工作设想

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文