高功率密度变压器的常见绕组结构？

　　传统变压器篇
　　单路输出 Flyback 及常见的变压器绕组结构
　　
　　
　　红色：初级绕组
　　紫色：辅助绕组
　　黄色：次级绕组
　　特点：辅助绕组位夹在初级、次级中间
　　缺点：
　　1， 临近效应很强，绕组交流损耗大
　　2， 初、次级间的漏感较大，吸收回路损耗较大，效率较低
　　优点：
　　1，工艺结构十分简单，易于制造
　　2，初级外层接电位静止的V+端，易于实现无Y
　　改进的 Flyback 变压器绕组结构（简易型）
　　
　　红色：初级绕组
　　紫色：辅助绕组
　　黄色：次级绕组
　　特点：辅助绕组位于线包最里层，初级在中间、次级在最外边
　　缺点：临近效应很强，绕组交流损耗大
　　优点：
　　1，工艺结构十分简单，易于制造
　　2，初级外层接电位静止的V+端，易于实现无Y
　　3， 初次级间漏感较小，吸收回路损耗较小，效率较高

　　改进的 Flyback 变压器绕组结构（三明治型）
　　
　　红色：初级绕组
　　紫色：辅助绕组
　　黄色：次级绕组
　　特点：辅助绕组位于线包最里层，然后分别是初级的一半，次级全部，初级的另一半；
　　缺点：
　　1， 次级临近效应很强，绕组交流损耗大
　　2，初级的一半绕组没有任何的静电位层供屏蔽用，无法实现无Y
　　优点：
　　1， 工艺结构复杂，不利于制造;
　　2， 初次级间漏感较小，吸收回路损耗较小，效率较高
　　3， 初级临近效应较小，绕组交流损耗小

　　Flyback 多路输出
　　L3 与L4 之间的漏感，引起交叉调整。
　　
　　实用的多路输出型
　　高压输出绕组叠在低压绕组之上，双线并绕降低交叉调整
　　
　　功率传输变压器（含正激、推挽、半桥、全桥）
　　合理的绕组结构， 层厚小于2Δ
　　
　　红色：初级绕组
　　紫色：辅助绕组
　　黄色：次级绕组
　　实际变压器的模型
　　虚线内为理想变压器
　　
　　脉冲变压器信号传输失真
　　由于原边及幅边漏感，电阻分量的存在，脉冲在经过变压器后，产生延迟、斜率变缓、振铃、顶降
　　
　　脉冲电流的分解
　　脉冲电流由基波电流及各高次谐波电流组成
　　
　　占空比越小，基波分量越小，高次谐波分量越大，因此线径的选择（穿透深度*2）不能只考虑基波电流的频率
　　
　　
　　
　　
　　输出功率与频率的关系（EE25 单端变换器为例）
　　
　　理论上，对于指定的磁芯，在相同的磁密下，输出功率与频率呈正比，但实际上并非如此，
　　原因有：
　　1， 频率升高，穿透深度下降，需要用较小的线径，窗口利用率下降，且绕组层厚与穿透深度的比值增大，交流电阻大增，有效输出功率下降；
　　2， 频率增加，绝缘材料的耐压下降，为保证同样的绝缘强度，需要加大绝缘层厚度，进一步降低窗口利用率；
　　3， 频率到达某一程度后，磁芯损耗大增，需要适当降底磁通密度（具体请参考磁损表）

　　LLC 变压器
　　LLC 电路结构
　　
　　LLC 集成磁件
　　漏感由原边与副边之间的档墙宽度、磁芯的磁导率、以及中柱长度与窗口高度的比值决定
　　
　　红色：初级绕组
　　黄色：次级绕组
　　小漏感的 LLC 集成磁件
　　个别应用中，需要用到较小的漏感，挡墙的宽度较小，安全间距可利用下面的结构来满足。
　　
　　红色：初级绕组
　　黄色：次级绕组
　　其它减小漏感的方法：
　　1， 磁芯的磁导率，换用高导的磁芯，漏感会减小；
　　2， 减小中柱长度与窗口高度（指上图中窗口的水平方向）的比值，漏感会减小
　　3， 采用逆磁性材料代替顺磁性材料制作档墙
　　增大漏感的方法：
　　1， 换用低导的磁芯
　　2， 增大中柱长度与窗口高度的比值
　　3， 用弱铁磁性的材料制作档墙， 如混有磁粉的注塑垫片，可以大幅度降低档墙的占窗面积，增加变压器出力，具体实施需要考虑经济性；
　　大功率的 LLC 变压器
　　LLC 磁集成变压器的问题：由于初次级绕组产生的磁场是独立分布的，各自的临近效应很强，不利于大功率应用场合，而且气隙处的EMI 很不好处理，因此需要将漏感独立出去。
　　中功率的 LLC 集中参数变压器，按正弦变压器设计，可采用简单绕制工艺
　　
　　红色：初级绕组
　　黄色：次级绕组
　　大功率的 LLC 集中参数变压器，按正弦变压器设计，需要采用夹层工艺，中各初次级绕组磁场的磁场，降低临近效应，保证最小的交流电阻
　　
　　红色：初级绕组
　　黄色：次级绕组

　　高功率密度变压器
　　为了直观，我们将一个EE85 磁芯，在2000GS 磁密，25KHz 频率下，不同电流密度时的效率、输出功率，铜损铁损比绘在同一表格内（注意：因为宽度不够，电流密度在10 以上比例不同。）
　　可以发现，电流密度在3-6A/mm2 范围内，变压器效率达到98.5%以上，而要满足98%的效率，电流密度的范围达到2-10A/mm2。
　　由于铁损基本固定，而铜损与输出功率的平方成正比，因此高功率密度变压器的实现，主要是解决绕组的散热问题，但应用中的方向却是相反的，我们所见到的高功率密度变压器，都是将绕组的热量“闷”在磁件的内部，绕组的热阻比较大，不利于提高功率密度，如PQ，PM，以及平面变压器。
　　
　　高功率密度变压器的解决措施
　　思路：强制对绕组进行冷却
　　1、液冷法，低压绕组利用中空的管状铜材料制作，用微形液压泵为低压绕组提供冷却循环液，可用变压器油。高压绕组的热能，通过传导散发到低压绕组，由冷却液一起带走。
　　2、环形铜带绕组，低压绕组制成平面的环状，一个环为一匝，环的厚度为2~3 倍穿透深度，初级绕组线径为1~1.5 倍穿透深度，这样的组合交流电阻很小。图例中的 6 个环，，通过不同的铆接，可组合为6 匝，3 匝，2 匝及1 匝四种连接方式。环的倒角部份，通过云母片与散热器（可加风扇）连接散热，解决绕组的发热问题
　　
　　
　　3， 环形变压器
　　环形变压器具有夸张的绕组散热面积，是一种很好的散热结构。但由于磁芯的最佳工作温度约90 度，要求绕组表面温度要适当小于90 度，否则磁芯温度会过高。加上环形高导磁件容易饱合，可用的磁密较小，因此功率密度的提高受到限制。
　　
　　4，增加变压器的整体表面积如平面变压器，通过将变压器压扁，提高表面积与体积的比值，降低热阻，获得较高的功率密度
　　5，王氏多磁路变压器
　　将多个小型磁件组合，通过接近 2 倍的绕组数量，大幅度提高变压器绕组自身的散热能力，达到高功率密度
　　为简单起见，仅以两付磁芯拼合为例，实际应用中为更多的磁芯拼合为多磁路变压器。
　　1， 绕组数量增加为由N 增加为2N-1（N 为组合磁芯的数量），绕组总（散热）表面积增大；
　　2，每个绕组的厚度减半，在同等温升及冷却条件下，允许1.414 倍的电流密度
　　3，可以方便实现1/2， 1/3，1/4， 1/5 甚至更小的分数匝，利于让磁芯工作在最佳的磁通密度下（通常情况下，我们常常会受此困扰，如有时用1600GS 需要2.3 匝，一般只好取2 匝，然后磁密提高到1840GS， 或是降低一些占空比，很是麻烦）
　　4， 因为精确的分数匝，利于多组输出的精确电压分布（利用同步整流及电子变压器定变比变换威廉希尔官方网站 ）
　　
　　优化的多磁路变压器及磁芯