一种多路输出反激平面电感的设计方法与流程

本发明属于平面变压器设计领域，具体涉及一种多路输出反激平面电感的设计方法。

背景技术：

1、变压器是利用电磁感应原理实现电压转换的器件，通常包括初级线圈、次级线圈和磁芯，而通过设置初级线圈与次级线圈的匝数比，即可形成不同电压转换比的变压器。目前大多数电力电子设备均采用传统绕线式变压器，其结构包括磁芯、绕组、骨架三部分，此类变压器设计简单，但功率密度低、寄生参数大且成本高。近年来，随着通信、控制等技术领域不断发展，各行业对适配器、内置电源等电力电子产品的性能要求也日益提高，作为典型的电力电子装置在市场中逐渐出现了pcb式的平面变压器，利用pcb代替铜线圈，能够达到缩小体积的目的。随着电子设备中元器件的集成及密集程度越来越高，平面电感的设计研发会是未来变压器的应用趋势。

2、近年来，随着印刷电路工艺的产业化，平面电感的应用技术也日益成熟，这是一种呈高度扁平状的电感，其绕组一般由折叠式铜箔、印制电路板的印刷铜线或铜箔组成，相对于传统变压器，具有高功率密度、低寄生参数、高效率、低成本的特点。由于平面电感磁路灵活性较强，且无骨架需求，故其对磁芯形状的灵活性要求也较高。同时，仅在某一功率范围内选用标准磁芯是无法精确控制设备所需磁芯体积的。

3、考虑到反激式变换器结构简单、可靠性较高、驱动电路简单、元器件少且成本较低，适用于多路输出场合。作为反激结构中的功率器件，电感在其中承担着能量传递、能量存储、原副边隔离的重要作用。随着开关频率的不断提升，磁性元件的体积不断减小，但由于高频下邻近效应和集肤效应的影响，磁性元件自身损耗也随之增加，制约了其效率与功率密度的进一步提升。在反激平面电感的设计过程中由于实际设计参数的复杂情况，需要考虑到具体电路中的各种性能参数才能达到最好的集成度，现有的反激平面电感的设计，具有需要考虑的参数过多，计算量太大，人工难以判断具体参数的重要性，最终导致反激平面电感设计方案不准确，设计出的平面电感无法达到目标要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种多路输出反激平面电感的设计方法，以解决反激平面电感设计过程中需要考虑的因素过多，人工难以判断具体参数的重要性，导致反激平面电感设计方案不准确的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现，可以包括以下步骤：s100、根据平面电感的特性，设立电感特性数据库；s200、输入目标平面电感参数，并构建平面电感参数数据库；s300、并对电感特性数据库中的数据进行筛选，根据输入的目标平面电感参数选出目标平面电感的设计主控因素，并根据重要程度对其进行排序赋值；s400、根据输入目标平面电感参数结构，建立平面电感的数学模型；s500、根据电感特性数据库和构建的数学模型，对目标平面电感参数进行拓扑变换，生成两个以上的第一设计方案；s600、对每个第一设计方案的绕组进行综合比对，并对每个第一设计方案进行重新规划生成第二设计方案；s700、对不同第二设计方案的电感特性和目标参数，得到电感特性和目标参数的函数模型： y=ax 2 +bx，其中 y表示铜箔厚度，mm； x表示目标参数，无量纲； a、 b表示拟合的经验系数，无量纲；s800、根据电感特性和目标参数的函数模型对第二设计方案进行优化，形成最终的设计方案。

3、进一步地，电感数据库可以包括，平面电感的体积大小参数、宽频响应系数、抗电磁干扰系数、高电流处理能力系数以及q值系数。

4、进一步地，平面电感参数数据库可以包括，目标平面电感的磁芯气隙空间、有效截面积、散热空间、走线空间以及目标体积。

5、进一步地，筛选可以包括采用：  ，计算得到某个特征的重要性；其中， i为某个影响因素的重要性，无量纲； n为影响因素的数量，无量纲； r1为袋外误差，无量纲； r2为某个特征顺序被随机变换后的袋外误差，无量纲；对计算得到的不同因素的重要性并进行比较，选出目标地点的接地网电阻的主控因素；

6、进一步地，平面电感的数学模型可以为：

7、

8、其中 i d、 i q分别表示是通过初级绕组和次级绕组的电感电流， u d、 u q分别表示电感两端的输出电压， e d、 e q分别表示平面电感的磁芯气隙空间，w表示电感的品质因数。

9、进一步地，步骤s600可以包括以下子步骤：s610、对每个第一设计方案中的磁场分布进行分析，推导出每层绕组损耗计算公式；s620、根据推导出的每层多匝绕组损耗计算公式，得出处于不同磁场强度下的绕组存在最优铜厚；s630、根据不同铜箔厚度的绕组共同构成反激平面变压器绕组目标明确后，划分磁芯内部空间，以有效区域保持不变，无效区域灵活分配的原则，在空间划分的基础上，将无效通流区域使用磁性材料填充，代替原有效通磁区域的部分体积；s640、将无效通磁区域切割，若存在于磁芯内部，则用于扩大窗口宽度，若存在于磁芯外部，则用于减小磁芯体积；s650、重新规划磁芯空间后，以均匀分布磁通为原则，切割磁芯边柱，结合中柱、边柱横截面积几何关系，最终确定边柱尺寸。

10、进一步地，推导出的每层多匝绕组损耗计算公式为：

11、

12、其中 w为绕组宽度，mm； h为铜箔厚度，mm； j z( x)为电感绕组的电流密度，a/m2； h1， h2分别代表铜箔表面的磁场强度，a/m； σ为铜的电导率，s/m； v代表铜箔厚度 h与集肤深度 δ的比值，无量纲；集肤深度 δ的表达式为：

13、

14、其中，μ0为铜的磁导率，h/m； f s为开关频率，hz。

15、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

16、1、本发明通过构建电感特性数据库和平面电感参数数据库，并且通过对这两个数据库的综合分析和利用，极大地降低了反激平面电感设计过程中影响因素过程过多，无法抓住重要因素的问题，缓解了设计人员的工作压力；

17、2、本发明通过自动化设计方法，对自动生成的方案进行调优设计，避免了反激平面电感各参数因为不确定性或者受检测仪器、检测方法、计算过程等造成的误差，并且通过对不同的方案进行比较分析，最终得到最优的设计方案；

18、3、本发明开发的设计方法，是基于反激平面电感的特性而得出的方法，能够使得设计过程更加简单，更适用于现阶段的大规模生产，同时不仅能够快速检测出符合要求的设计方案，其对于反激平面电感的集成化也有着重要的帮助；

19、4、本发明的设计方法，可以根据客户的具体需求，定制增加新的、个性化的特点，具备更好的适应性，能够极大地提高现阶段的电气集成化，其具有平台适应性广、送样灵活性高、设计周期短、建设结果电气性能准确度高等特点。