利兹线选择和交流铜损估算实用指南第 1 部分

　　利兹线导体众所周知，并大量用于电力电子应用专用的磁性元件，以减少铜损与频率的关系。然而，它们的建模可能仍然很复杂或不完全固定，无法准确预测开关变压器或谐振电感器绕组的终温升。的导线选择和准确的损耗计算仍然是高功率密度转换器优化的首要任务。
　　不断增长的电动和插电式混合动力汽车市场需要强大的嵌入式开关模式电源（图 1），包括大型电感设备以及约 7-11-22kW 的交流/直流高压电池充电器（图 2a）和几千瓦的 DC/DC 400-800V/14V 转换器（图 2b），为传统低压设备（照明和空调系统、ECU、无线电装置、GPS、 ETC。）。
　　此类电力电子组件中使用的磁性元件在体积、重量和成本方面通常只占此类设备的 1/4 至 1/3。因此，它们在功率密度方面的优化是完全强制性的，直到可接受的效率和温升的极限也取决于冷却策略[1]。此类部件使用的变压器和电感器多选用低损耗铁氧体磁芯和利兹线绕组。为了减少铜损与频率的关系，的利兹线选择仍然是必须的。
　　本文将首先总结利兹线的众所周知的特性，重点介绍其选择时的特殊注意事项和技巧（第 1 部分）。然后将讨论此类导体的建模方法，并对 FEA 仿真工具中可用的模型进行比较。，将介绍一些关于可分配给给定利兹线的等效热导率的文字和参考资料，以帮助进行热模拟（第 2 部分）。
　　利兹线的优势及选择
　　频率对电线选择的影响
　　为什么采用利兹线作为导体？众所周知，金属中的频率效应会影响金属在承载交流电时的大量损耗。三种主要效应被确定为涡流、邻近效应和边缘通量效应。个与导体周围的自感磁场有关，该磁场产生主要在其外表面循环的涡流，以试图消除赋予其寿命的效应（图 3a）。邻近效应与邻近效应类似，但与邻近导体中的相同效应相关（图 3b）。每个回合都会扰乱周围的回合，并受到它们的影响。第三个效应可能与任何随时间变化的外部磁场的存在有关，就像在磁芯中切割气隙以固定一些的电感值的情况一样（图 3c）。
　　

　　图 3b。 邻近效应。图片由博多电力系统提供  

　　图 3c。 导体内部的电流密度，包括气隙的边缘通量效应。图片由博多电力系统提供 

　　量化导体表面扰动电流分布的一个关键参数是集肤深度，如下所示（图 4）。众所周知，导体直径的必须始终保持在 2δ 以下 (dconductor < 2δ)，以免其电阻明显增加。例如，在 7δ 直径下进行简单计算会得到两倍的 DCR 值（图 5）。

　　图 4. 铜的趋肤深度（在 100°C 时应用 6.6，而不是 7.5 系数）。图片由博多电力系统提供  

　　图 5.  7δ 直径导体显示的交流电阻是直流值的两倍。图片由博多电力系统提供

　　上述考虑对于单个导体是有效的。然而，这些简单的公式和概念清楚地表明，根据驱动绕组的电流，小导体的并联将是必须的。它们可以仅缠绕多股线，这对于导体之间的邻近效应或工艺优化都不是一个好的解决方案。利兹线的特点是这种平行化加上扭转与长度的关系，以便每根绞合线均匀地穿过线束内部和外部的每个位置（图 6）。这通过减少邻近效应来防止股线之间的电流循环。

　　图 6. 用于减少细股之间邻近效应的利兹线。图片由博多电力系统提供 
　　当组件经受具有高电流变化的高频开关（例如具有全波激励的谐振扼流圈）时尤其如此。当然，其他设计考虑因素对于将铜损降至也很重要，例如绕组结构（双线、同心、多层交错……）或磁芯设计（单间隙或多间隙……）。
　　从实际角度来看，量化铜损随频率的增加并不总是容易的。对于双绕组变压器，可以通过测量其阻抗与从初级侧（次级短路）观察到的频率来概览总交流铜损。这里，磁芯通常对 Rac 测量没有影响（安培匝数抵消或剩余的磁感应强度完全可以忽略不计），但对于单个扼流圈来说情况并非如此，在单扼流圈中，由于磁芯的代表，必须非常谨慎地进行此类测量。 +的铜损。

　　下面是考虑不同绞合的 2.3mm 利兹线直径的示例（图 7）。当线束直径较小时，我们可以清楚地注意到 100-200kHz 工作区域的改善，即使在某些情况下可能会导致估计的直流损耗更高。事实上，总铜横截面可能会根据相同外径组装的绞线数量而有所不同。因此，需要在股线的厚度和捻合数量之间找到折衷方案。

　　图 7.变压器中的交流铜损，符合。利兹线的选择。图片由博多电力系统提供  

　　Fr = Rac/Rdc 是一个感兴趣的系数，可以将其设置为给定技术和绞合的设计规则（表 1）。它显示了铜损随频率的增加，具体取决于电线和绕组的布置。下表提出了一些系数，可用于通过为绕组选择良好的利兹线来估算总铜损。当然，如果电流波形的谐波含量较高，则需要进行更准确的研究。

Fr = Rac/Rdc 是一个感兴趣的系数，可以将其设置为给定技术和绞合的设计规则（表 1）。它显示了铜损随频率的增加，具体取决于电线和绕组的布置。下表提出了一些系数，可用于通过为绕组选择良好的利兹线来估算总铜损。当然，如果电流波形的谐波含量较高，则需要进行更准确的研究。

 

表 1. 针对某些给定拓扑/技术的优化 Fr 系数。

具有优化利兹绞线的变压器类型	OBC有限责任公司3.5kW	DCDC HV/LV PSFB ZVS 3kW – 1x 交错	DCDC HV/LV PSFB ZVS 3kW – 2x 交错
Fr = Rac/Rdc	1.2 至 2 @100-250kHz	3 至 5 @100-150kHz	2 至 3 @100-150kHz

 

股线直径的选择会对利兹线缠绕的变压器或扼流圈的实际总交流铜损产生很大影响。从这些陈述来看，必须优化股线直径，以保持尽可能低的 Fr 比，同时又不会通过昂贵的利兹线应用或在缠绕结构中采用过于具有挑战性的交错工艺来化产品成本。

一般来说，由于集肤效应，工作频率越高，单线标称直径越细。

利兹线供应商[3]经常根据频率范围提出推荐使用表（表2）。引入一些余量来考虑电流波形可能的谐波含量，在某些情况下，对于相移半桥或全桥 ZVS 拓扑以及 LLC/CLLLC 来说，电流波形的谐波含量可能很高。

 

表 2. 利兹线的股线直径选择。

频率范围（kHz）		单线标称直径（mm）
从	到	从	到
0.06	1	0.4	0.25
1	10	0.25	0.2
10	20	0.2	0.125
20	50	0.125	0.1
50	100	0.1	0.08
100	200	0.08	0.063
200	350	0.063	0.05
350	850	0.05	0.04
850	1400	0.04	0.03
1400	3000	0.03	0.02

 

在利兹线中，为了考虑具有 δ 集肤深度的多个束直径之间的相互作用，并且以简化的方式，单线直径应小于或等于 δ 的近三分之一（dstrand < δ/3）。示例：F = 200kHz，δ = 0.148mm => dstrand ≈ 0.050mm。

 

电流密度和股数

当选择股线直径时，要考虑的数量将取决于磁性装置的绕组中可接受的电流密度。即使随后确定总铜损和热点温度，也可以初步应用一些额外的设计规则来确认终使用的导体的可能直径（表3）。

 

建造

利兹线不能仅通过绞合来定义。其他重要参数包括聚束和扭曲（表 4）。事实上，聚束（例如：50x5 与 10x5x5…）及其方向（不同级别的 S 或 Z）可能会对频率行为产生很大影响（图 8）。捻度（每米或捻距或节距的转数）通常校准为沿绕组的平均匝数至少有 3 转；这是为了平衡邻近效应消除。

 

表 3. 每种尺寸和冷却方式的适用电流密度。

组件类型和冷却概念	J（安/平方毫米）
大功率（数十千瓦）变压器，无需冷却	2-3
大功率（几十千瓦）变压器，气吹式	3-6
固定在水冷板上的 kW 系列变压器	7-10
水冷腔中的全灌封变压器	10-15日

 

表 4. 利兹线完整规格示例（来源：SUNTEK WIRE）

导体	裸线直径(mm)	0.10
	公差（毫米）	±0.003
股数		250
聚束		50x5
单线	搪瓷厚度（≥mm）	0.008
	外径（≤mm）	0.117
利兹线	捻数 (Ts/m)	30±5
	铺设方向	S
包扎线	重叠 [％]	67±3
	限度。外径（≤mm）	2.287
	击穿电压（≥v）	4000
	两侧膜层厚度（mm）	0.15
	胶带宽度（±0.5mm）	12
	薄膜厚度（±0.003mm）	0.025
	直流电阻（≤Ω/km，20℃）	9.61

 

 

一些规则可以应用于聚束定义。束层的股线数量 (N1,max) 可由以下公式给出 [4]，其中 δ 是在定义的工作频率和温度下的集肤深度，ds 是选定的股线直径：

D=√Ns.ds.ρ<br>

其中，D 是利兹线的总直径，ds 是绞线的直径，p 是 Ns 绞线的填充系数。

 

表 5a. 不同股数的填充系数（来源：ELEKTRISOLA）

Elektrisola 填料系数

线数系数

3 - 12：1.25

16：1.26

20：1.27

25 - 400：1.28