功率变换器高频磁性元件宽频段全功能模型研究

As the developments of wide-band semiconductors and power converters towards high frequencies and high power densities, the high frequency power magnetic components become more critical. Because of the complex structures, wide band frequency ranges with electric, magnetic and eddy current fields and non-linear behaviors with frequency, magnitude and DC flux bias in magnetics, it is very difficult to know the magnetics well in depth. By applying electromagnetic field analysis, PEEC calculation methods and test analysis, the comprehensive wide band and full function models of the magnetics are built considering the electric, magnetic and eddy current fields and non-linear properties with frequency, magnitude and DC flux bias. The models have clear physics meanings and the parameters are testable. The electromagnetic field distribution models in the close and proximate areas near the magnetic components are also built as well as the wide band coupling models among them. The precise loss models for the winding losses of differently twisted Litz wires are built. The models built in the project will deepen the understandings of the high frequency power magnetics rationality, reveal their mechanism in high frequency ranges and provide the theoretical model basis for the applications of analysis, tests, simulations, designs, optimizations and modifications.

随着宽禁带半导体器件以及功率变换器高频和高功率密度的快速发展，高频功率磁性元件技术的重要性日益突出。磁性元件由于结构复杂，涉及很宽频段的电场、磁场、涡流场以及频率、偏磁和幅值非线性材料特性，因此对其理论上的认识难以深入，成为功率变换技术进一步发展的瓶颈。本项目在应用电磁场分析、PEEC电磁计算方法以及测试分析的基础上，综合考虑电场、磁场以及涡流场的相互影响以及磁芯的偏磁、频率和幅值的非线性特性，建立磁元件的宽频段全功能模型，模型具有明确的物理意义且参数具有可测性；建立高频功率磁元件附近的接近区域和邻近区域宽频带泄露场分布的理论模型及典型分布规律，以及磁元件之间的宽频段电磁耦合模型；建立不同绞制方式多股绞线的高频损耗理论计算精确模型。模型的建立在理论上将深化对磁性元件的理性认识，清楚揭示其高频特性及机理，在应用上为磁元件的分析、测试、仿真、设计、优化和整改提供理论和模型基础。

由于宽禁带半导体器件发展，工作频率和功率密度不断提高，磁性元件的高频特性对功率变换器电磁兼容以及绕组和磁芯损耗的影响越发重要。项目围绕磁性元件在高频下其电、磁和损耗特性的模型建立、分析方法、参数影响、测量方法及其实际应用展开研究。项目研究了绕组的高频损耗建模，提高了计算园导线以及多股绞线高频损耗的精度；研究了PCB变压器绕组的优化布局以及PCB铜层的边缘损耗效应，可以更加快速的找到最优布局并准确评估绕组损耗；研究了磁芯高频损耗的测量方法，可以获得接近实际工况的磁芯损耗，方法便捷实用，并进一步建立了磁芯损耗高频模型；研究了磁性元件对传导电磁干扰的作用机理及其特性，在此基础上提出了从磁性元件角度抑制共模噪声的原理和方法，对反激式变换器的共模噪声问题，通过对反激变压器共模噪声路径以及电场容性特性的深入分析和建模，提出在变压器原、副边之间加入平衡绕组的方法以及分析设计思路，从而消除流过变压器通道的共模噪声，实现无Cy设计并减小滤波器体积，研究成果已经成功应用于国内外知名企业的高密度电源适配器产品；对PFC电路电感的共模噪声问题，深入分析了反相耦合绕组对共模噪声抵消效果的影响因素，进而提出了反相耦合绕组设计的关键问题；为了在电源整机完成前能够评估其变压器对共模噪声的抑制能力，减小EMI测试及反复整改所带来的时间和成本，提出了变压器路径和开关管对地电容路径的噪声评估方法，从而可以通过变压器精细化仿真设计控制流经变压器的共模噪声以实现精确抵消流经开关管对地电容的共模噪声，进而有机会实现完全消除流经LISN上的总共模噪声。.提出的磁元件高频特性以及高频磁芯损耗的测量方法已被团体标准、国家标准以及IEC国际标准采纳。发表SCI收录论文7篇，EI收录8篇，获授权发明6项；培养毕业博士3名以及多名硕士研究生。