一、整体应用介绍

随着开关电源高频化、高功率密度以及低截面的发展，平面变压器由于可以显著降低变压器的高度、提高变压器的功率密度以及具有良好热特性和工艺一致性等优点，正日益在开关频率和附加值都比较高的 DC/DC 场合获得广泛应用。平面变压器设计正面向更高功率密度、更高效率、更低分布参数的方向发展。

下图为某平面变压器实物及对应的电磁计算模型。

   平面变压器包含的磁场物理效应如下：

l  材料B-H非线性；

l  材料频率依赖性；

l  材料温度敏感性；

l  涡流效应；

l  临近效应；

l  磁场时变性；

l  激励时变性；

以下对磁芯材料的磁性能做简单的回顾：

1)  标准磁化B-H曲线

    标准磁化曲线为直流磁化曲线，即与频率无关。

Magnetics磁芯手册铁硅铝B-H曲线

2) 交流B-H曲线

   实际DC-DC功率变换器在使用中，流经变压器的电流是时变信号，具有典型的多频率特征。为此，需要获得交流条件下的磁导率曲线。通常将磁导率数值分为实部和虚部两个部分。

某铁氧体材料磁导率复数曲线

Magnetics磁芯手册铁硅铝频率影响曲线

3） 温度对磁导率的影响(温度系数)

    温度对磁导率具有较大的影响，即磁芯的温度敏感性；通常希望温度敏感性较低。然而，不同的磁芯材料对温度的敏感性是不同的。

       Magnetics磁芯手册铁硅铝温度系数

4）直流偏置影响曲线

   在实际工作过程中，直流偏置会对磁芯在交流作用下的磁导率产生影响。因此，在进行整体DC-DC应用电路工作状态仿真时，计及实际DC-DC的偏置电流时，因对磁导率曲线进行更新。但对于纯交流条件下，则无需考虑。事实上，直流偏置的影响在实际电路应用中是无可忽略的。

Magnetics磁芯手册直流偏置影响

以下对磁芯材料的磁损特性做简单的回顾：

对磁性材料磁损的研究总体还处于基础研究阶段，关于磁损的研究仍然有大量的问题没有解决，以下是研究的总体技术进展情况：

    对比各种经验公式的计算精度，Steinmetz方程是目前正弦波磁损计算广泛使用的经验方程，由于通过该方程，可以利用有限元的方法进行计算，因此，在包括Ansoft等软件中都使用了该模型。同时，磁材料厂商也都基于该方程，给出了相关的拟合系数。我们可以通过自行参数测量来对采用该方程进行描述产生的误差进行分析。 关于它的总结如下：

在DC-DC变换中，电感通常处于方波的激励条件下，对于看似简单的波形，其对磁损的影响却变得非常复杂。关于采用傅里叶变换的方法来获取方波激励条件下的磁损产生的问题进行如下归纳：

因此，基于傅里叶变换的方法来直接获取磁损变得不可行。实际上，按照傅里叶变换获得的结果与实际偏差已经远远超出了工程应用的范畴。

通过对正弦激励与方波激励进行详细的测量分析对比，发现，可以通过引入修正因子Kd来对正弦激励下的磁损转化为方波激励进行工程上可行的方案。

实验研究表明：开关频率和磁感应强度对Kd值的大小影响可以忽略；同时可以获得，Kd值是仅与占空比有关的特性。当然，随磁芯材料使用的不同会发生不同。

最后，我们对DC-DC应用中直流偏置的问题进行考虑。同样引入Kb的修正因子。

实验研究表明：KB不受f的影响，但与Bac有关。于是引入中间变量S：

基于试验和回归模型的处理，直流偏置的影响可以通过如下关系式进行表达：

进一步研究表明，KD和KB的影响，对于由Steinmetz获得的正弦波磁损是无关的。因此，对于DC-DC应用中磁芯的损耗可以表示为如下关系式：

基于此方程获得的误差与实际误差可以控制在8%以内，是迄今为止工程上最佳的数学表达。由此，我们可以借助于成熟的电磁商业软件Ansoft获得包含磁性元件单体和整体应用的完整工程应用方案。

二、基于Ansoft的平面变压器设计计算

    Ansoft中对于平面变压器在开关频率的设计计算提供了完整的解决方案。而对于DC-DC的应用，需要结合Simplorer进行集成。是已知商业软件中最为完整的解决方案。

1)  Ansoft对铜材温度系数的考虑

Ansoft中铜材温度系数的考虑

2)  Ansoft对磁芯磁导率及基于Steinmetz方程的磁损考虑

3)  Ansoft对磁芯磁导率温度影响的考虑

4)  基于Ansoft与Workbench磁热耦合的磁芯性能计算

Ansoft与Workbench集成

考虑实际温升的平面变压器性能计算

基于Simplorer平面变压器实际电路集成应用

三、技术总结

通过Ansoft对于正弦激励下的平面变压器电磁场计算进行了磁热耦合应用的介绍；在DC-DC整体应用中，则针对磁损的计算方法进行了详细的工程方法探讨。对于DC-AC等其他应用，DC-DC是基础，方法上会更进一步。