高频平面磁集成技术

本书是国内第一本系统阐述高频平面磁集成技术的专著，融合了研究团队多年研究成果，反映了高频平面磁技术的最新研究前沿。本书系统总结了研究团队在高频平面电感、平面变压器、高频平面电感/变压器高密度集成方面的创新成果，研究探究了超薄平面化结构引起的高频磁件窗口效应及其带来的多方面影响，提出了克服超薄平面磁结构负面影响的解决方案。系统提出了电感集成、变压器集成、电感-变压器一体化集成、多电感/多变压器集成的实现方法，对高频磁集成技术进行深入全面的探讨。

本书系统地阐述了高频平面磁集成技术的原理、方法和工程应用，是高频磁技术领域兼具理论深度与实际应用价值的专著。全书以功率磁元件的平面化、集成化、高密度和低损耗设计为核心目标，提出了基于“源-路”理论的高频磁集成理论，总结了高频电感和变压器平面化、集成化设计的一般方法，并结合LLC谐振变换器、CLLC谐振变换器、三相谐振变换器、模块化串并联变换器、超低压大电流直流变压器等典型电路及应用，提供了高频平面磁集成技术的大量创新设计实例。
全书共11章，第1章为绪论；第2-6章系统阐述了高频平面磁集成的基本原理和方法，以及高频电感和高频变压器的平面化、集成化设计方法；第7-11章则结合典型应用场景和具体电路，详细讨论了高频平面磁集成技术的创新设计实例。
本书内容兼顾基础理论与工程实践，既可为研究人员提供创新思路，也能指导工程师开展具体设计研发，适合电气工程相关专业师生、科研及工程技术人员参考使用。

吴红飞，南京航空航天大学教授、博导。国家优青、江苏省杰青、江苏省青蓝工程中青年学术带头人。长期从事电力电子系统集成技术研究，主持国家自然基金5项，以及江苏省基础研究重点项目、装备预研重点项目、装备研制委托项目等50余项。发表论文300余篇，授权发明专利50余件。获省部级一等奖1项、二等奖2项、三等奖2项，获中国电源学会优秀青年奖、Delta环境与教育基金会中达青年学者奖。担任IEEE Transactions on Power Electronics、IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics、Chinese Journal of Electrical Engineering、电源学报等多份国内外期刊编委/副主编，任中国电源学会理事，中国电源学会青年工作委员会副主任委员、中国电源学会消费电子与照明电源专委会副主任委员、中国电工技术学会电力电子专委会委员、江苏省电源学会理事等。

电力电子新技术系列图书序言
前言
第1章　绪论1
1.1　磁元件的发展1
1.1.1　电磁现象的认识1
1.1.2　电磁感应定律2
1.1.3　电感、变压器的发展3
1.1.4　电力电子变换器中的磁元件4
1.2　高频功率磁元件的平面化和集成化5
1.2.1　磁元件平面化的驱动力5
1.2.2　磁元件平面化的挑战6
1.2.3　磁元件集成化的驱动力 12
1.2.4　磁元件集成化的挑战15
参考文献19
第2章　高频平面磁集成：原理、方法和特性20
2.1　高频磁心集成原理与方法20
2.1.1　磁心集成的本质20
2.1.2　源磁心解耦集成方法22
2.1.3　源磁心耦合集成方法25
2.1.4　路径磁心复用集成方法29
2.2　高频绕组集成原理与方法35
2.2.1　绕组感应电势分布特性35
2.2.2　绕组回路的替代式集成37
2.2.3　绕组回路的抵消式集成40
2.3　平面磁元件磁通非均匀分布特性43
2.3.1　非理想磁阻效应43
2.3.2　平面结构效应44
2.3.3　气隙边缘效应46
2.3.4　平面窗口效应47
2.4　PCB绕组电流非均匀分布特性48
2.4.1　趋肤效应48
2.4.2　邻近效应50
2.4.3　平面绕组结构效应51
2.4.4　气隙和窗口涡流效应52
2.5　寄生电容效应53
2.5.1　寄生电容分布53
2.5.2　寄生电容影响55
参考文献59
第3章　高频平面电感60
3.1　平面电感超薄化设计方法60
3.1.1　磁心高度的限制因素60
3.1.2　降低磁心高度的方法61
3.1.3　多个子电感的集成63
3.2　平面电感感值的精确计算方法67
3.2.1　传统电感值计算方法67
3.2.2　考虑窗口效应的电感值计算方法70
3.2.3　仿真与实验结果分析74
3.3　平面电感气隙配置方法77
3.3.1　集中式气隙77
3.3.2　优化气隙配置方式78
3.4　平面电感窗口磁通的屏蔽80
3.4.1　窗口磁通对绕组损耗的影响81
3.4.2　窗口磁通涡流的转移式屏蔽82
3.4.3　仿真与实验结果分析83
3.5　平面电感超薄化设计实例86
3.5.1　电路原理及电参数设计86
3.5.2　超薄化结构设计87
3.5.3　基于损耗模型的尺寸参数设计90
3.5.4　实验结果与分析93
参考文献95
第4章　临界导通模式平面耦合电感集成96
4.1　耦合电感在电力电子变换器中的应用96
4.2　基于负耦合电感的交错并联CRM Buck变换器97
4.2.1　工作原理分析97
4.2.2　死区谐振状态分析与软开关实现101
4.2.3　耦合系数对开关频率的影响106
4.3　平面耦合电感磁集成结构设计108
4.3.1　基于E型磁心的平面耦合电感108
4.3.2　基于四磁柱磁心的平面耦合电感110
4.3.3　基于气隙配置的磁通分布优化调控111
4.4　平面耦合电感设计实例114
4.4.1　基于仿真的尺寸参数设计114
4.4.2　仿真结果与分析119
4.4.3　实验结果与分析121
第5章　高频平面变压器124
5.1　平面变压器绕组结构设计124
5.1.1　PCB绕组结构设计的一般原则124
5.1.2　奇数匝绕组的对称实现126
5.1.3　绕组的端接设计128
5.1.4　绕组的并联设计130
5.2　平面变压器共模噪声的屏蔽法135
5.2.1　屏蔽法的原理136
5.2.2　全波整流变压器的屏蔽层设置方法137
5.2.3　全桥整流变压器的屏蔽层设置方法139
5.2.4　屏蔽层和功率绕组一体化设计方法140
5.2.5　减小窗口效应的分段屏蔽方法142
5.3　平面变压器的热设计146
5.3.1　损耗与温升约束146
5.3.2　绕组散热优化思路147
5.3.3　热阻模型的构建148
5.4　平面变压器设计实例150
5.4.1　电路拓扑及电参数150
5.4.2　基于损耗模型的尺寸参数设计151
5.4.3　实验结果与分析156
参考文献157
第6章　矩阵变压器及其集成158
6.1　矩阵变压器158
6.1.1　矩阵变压器的概念158
6.1.2　矩阵变压器的应用159
6.2　基于磁通抵消的矩阵变压器集成162
6.3　LLC谐振变换器矩阵变压器集成设计实例163
6.3.1　电路拓扑与工作原理164
6.3.2　变压器集成设计168
6.3.3　实验结果与分析170
6.4　混合谐振变换器矩阵变压器集成实例170
6.4.1　电路拓扑与工作原理171
6.4.2　变压器集成设计174
6.4.3　实验结果与分析177
参考文献180
第7章　LLC谐振变换器平面电感-变压器一体化集成181
7.1　LLC谐振变换器电感-变压器一体化集成原理181
7.1.1　LLC谐振变换器拓扑181
7.1.2　电感-变压器集成设计182
7.2　CLL谐振变换器电感-变压器一体化集成原理184
7.2.1　CLL谐振变换器拓扑184
7.2.2　CLL和LLC谐振腔的等效条件186
7.2.3　电感-变压器集成设计188
7.2.4　实验结果与分析192
7.3　CLL谐振变换器的并联绕组自动均流195
7.3.1　LLC谐振变换器均流误差分析195
7.3.2　CLL谐振变换器均流误差分析197
7.3.3　电感-变压器集成设计198
7.3.4　实验结果与分析200
7.3.5　并联绕组阻抗均流法的推广应用203
第8章　CLLC双向谐振变换器多电感-变压器一体化集成205
8.1　寄生电容对CLLC谐振变换器电压增益特性的影响205
8.1.1　理想增益特性分析205
8.1.2　考虑寄生电容影响的增益特性分析207
8.1.3　考虑寄生电容影响的参数设计方法218
8.1.4　兼顾寄生电容影响的变压器绕组优化设计实例220
8.2　基于变压器绕组交叉串联的L-T-L一体化集成方法224
8.2.1　非单位电压比变压器交叉串联及其等效电路224
8.2.2　串联变压器的磁心集成227
8.3　多个L-T-L一体化单元的集成233
8.3.1　电感-变压器一体化单元的串并联233
8.3.2　1∶4电压比L-T-L集成磁元件设计实例237
8.3.3　双L-T-L集成单元的磁心集成244
第9章　低压大电流高频变压器绕组异质集成方法256
9.1　高电压比低压大电流高频变压器需求与挑战256
9.1.1　应用需求256
9.1.2　变压器高电压比技术特点与挑战257
9.1.3　低压大电流输出绕组技术特点与挑战259
9.2　高电压比超低压大电流LLC-DCX绕组异质集成262
9.2.1　LLC-DCX电路结构263
9.2.2　变压器绕组异质集成结构设计263
9.2.3　0.75V/150A高电压比变压器设计实现267
9.2.4　实验结果270
9.3　超低压大电流CDR变压器绕组异质集成272
9.3.1　CDR变换器的工作原理273
9.3.2　CDR变压器绕组集成方法278
9.3.3　CDR集成变压器设计实例281
9.3.4　实验结果与分析285
参考文献287
第10章　三相LLC谐振变换器磁集成及共模电流抑制方法288
10.1　三相LLC谐振变换器的电路结构288
10.1.1　单边 /△形三相谐振变换器288
10.1.2　双边 /△形三相谐振变换器293
10.1.3　适合低压大电流输出的三相LLC谐振变换器294
10.2　三相电感/变压器磁集成原理297
10.3　集成变压器三次共模磁通产生机理及其影响298
10.3.1　共模励磁电流产生机理299
10.3.2　共模励磁电流及其磁通的影响303
10.4　三次共模电流减小方法304
10.4.1　配置边柱法304
10.4.2　双三相法306
10.5　实验结果与分析309
第11章　串并联模块化谐振变换器磁元件解耦集成312
11.1　模块化串并联变换器磁元件解耦集成方法312
11.2　双路并联LLC-DCX集成314
11.2.1　电路结构与原理314
11.2.2　变压器集成设计315
11.2.3　实验结果与分析317
11.3　对称ISOP-LLC谐振变换器集成319
11.3.1　电路结构与原理319
11.3.2　变压器-电感集成设计320
11.3.3　实验结果与分析324
11.4　非对称ISOP-LLC谐振变换器输出侧均流方法327
11.4.1　电路结构与原理327
11.4.2　考虑输出均流的变压器-电感集成方法332
11.4.3　实验结果分析335