Từ tính phẳng hứa hẹn từ tính nhỏ gọn, cấu hình thấp, nhưng mô hình tổn thất, rò rỉ và điện dung chính xác phức tạp hơn đáng kể so với các thành phần vết thương thông thường.

Bài báo này dựa trên Điên cuồng hội thảo trên web giải thích chiến lược mô hình hóa đằng sau công cụ phẳng Frenetic, kết hợp các phương pháp phân tích với mô phỏng phần tử hữu hạn và cách tiếp cận gần như 3D.

Các kỹ sư có được quy trình làm việc chính xác để thiết kế phẳng máy biến áp và Cuộn cảm, bao gồm tách tổn thất, điều chỉnh rò rỉ thông qua xen kẽ, ước tính điện dung và tối ưu hóa khoảng cách. Bài báo cũng đề xuất các bảng thực tế và khái niệm trực quan hóa để biến các mô hình và kết quả demo này thành dữ liệu thiết kế có thể hành động để triển khai trong bộ chuyển đổi điện thực.

Bài học chính

• Mô hình từ phẳng liên quan đến các tính toán tổn thất, rò rỉ và điện dung phức tạp, khác với các thành phần vết thương thông thường.
• Công cụ phẳng Frenetic kết hợp các phương pháp phân tích, mô phỏng phần tử hữu hạn và biến đổi gần như 3D để thiết kế chính xác.
• Các kỹ sư có thể mô hình hóa và tối ưu hóa hiệu quả máy biến áp phẳng và cuộn cảm cho các thiết bị điện tử công suất mật độ cao bằng cách sử dụng quy trình làm việc toàn diện này.
• Ưu điểm chính bao gồm cải thiện độ chính xác trong tính toán tổn thất và khả năng trực quan hóa và điều chỉnh thiết kế dựa trên phản hồi thời gian thực.
• Công cụ này nhấn mạnh cách tiếp cận toàn diện, tích hợp nhiều kỹ thuật mô hình hóa để nâng cao thiết kế của từ tính phẳng.

Giới thiệu

Máy biến áp phẳng và cuộn cảm ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các thiết bị điện tử công suất mật độ cao, đặc biệt là khi các ràng buộc cấu hình nghiêm ngặt và lắp ráp PCB tự động là những yêu cầu chính. Trong khi cuộn dây phẳng cung cấp hình học có thể lặp lại, hành vi nhiệt tốt và khả năng mở rộng tuyệt vời, chúng tạo ra hiệu ứng dòng điện xoáy mạnh và điện dung ký sinh cao hơn so với từ tính dây tròn truyền thống. Những hiện tượng này có thể thay đổi đáng kể tổn thất AC, điện cảm rò rỉ và hành vi cộng hưởng và chúng không thể được nắm bắt bằng các phần mở rộng đơn giản của các mô hình thông thường.

Công cụ phẳng Frenetic đã được phát triển để giải quyết những thách thức này bằng cách kết hợp lõi phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với xử lý hậu kỳ phân tích tiên tiến và chuyển đổi gần như 3D chuyên dụng. Mục đích của nó là cung cấp các mô hình tổn thất phẳng và ký sinh chính xác có thể được sử dụng trực tiếp bởi các nhà thiết kế công suất và từ tính, đồng thời giữ cho thời gian mô phỏng tương thích với quy trình thiết kế lặp đi lặp lại. Bài báo này phác thảo cách tiếp cận mô hình cơ bản và cho thấy, thông qua trường hợp bộ chuyển đổi flyback, cách các kỹ sư có thể tích hợp công cụ phẳng vào một quy trình thiết kế hoàn chỉnh, từ các đề xuất từ tính dựa trên AI ban đầu đến bố cục PCB phẳng chi tiết và tinh chỉnh ký sinh.

Bối cảnh và thách thức

Mô hình tổn thất từ tính thông thường trong trình mô phỏng của Frenetic bắt đầu từ các dây dẫn tròn rắn quấn quanh lõi từ và bao gồm một hoặc nhiều khe hở không khí. Đối với các hình học như vậy, tổn thất tiệm cận có thể được tính toán chính xác bằng cách sử dụng các phương pháp phân tích khi biết phân bố dòng điện và từ trường trong cửa sổ cuộn dây. Quy trình làm việc tiêu chuẩn là:

1. Biểu diễn khe hở không khí như một nguồn dòng điện hư cấu tương đương tái tạo trường rìa của khe hở.
2. Loại bỏ vật liệu từ tính bằng cách thay thế nó bằng các nguồn dòng điện tương đương được phản chiếu (phương pháp hình ảnh), duy trì cùng một trường trong cửa sổ.
3. Giảm vấn đề thành một mặt phẳng có nhiều dây dẫn tương đương và tính từ trường trong mỗi dây dẫn dưới dạng chồng chất đóng góp từ tất cả các chất khác.

Cách tiếp cận này hoạt động tốt đối với dây tròn vì dòng điện xoáy cảm ứng vẫn tương đối nhỏ và không làm biến dạng đáng kể sự phân bố từ trường. Khi dòng điện qua dây dẫn và từ trường mà nó trải qua được biết đến, tổn thất da và khoảng cách có thể được tính toán bằng các biểu thức phân tích đã được thiết lập.

Tuy nhiên, trong cuộn dây PCB phẳng, hình dạng dây dẫn thay đổi hoàn toàn: dấu vết mỏng về chiều cao và chiều rộng rộng, dẫn đến tỷ lệ khung hình chiều rộng trên độ dày lớn. Khi từ trường có một thành phần trực giao với bề mặt dấu vết, các dòng điện xoáy rất mạnh được tạo ra trong đồng. Những dòng điện xoáy này có thể trở nên đủ lớn để bóp méo từ trường, phá vỡ các giả định mà mô hình tổn thất tiệm cận thông thường dựa vào. Đối với từ phẳng, không thể bỏ qua phản hồi này giữa dòng xoáy và trường cục bộ, vì vậy cách tiếp cận mô hình trước đó trở nên không chính xác.

Đồng thời, lõi phẳng và cuộn dây PCB tự nhiên tạo ra điện dung ký sinh cao hơn, đặc biệt là giữa các lớp sơ cấp và thứ cấp và giữa các vòng trong cuộn dây. Các điện dung này ảnh hưởng mạnh đến tần số cộng hưởng đầu tiên của cấu trúc và do đó xác định giới hạn tần số trên để hoạt động đáng tin cậy. Do đó, bất kỳ khung mô hình phẳng chính xác nào cũng cần xem xét cả cơ chế tổn thất tiên tiến và trích xuất điện dung chi tiết, trong khi vẫn cung cấp ước tính điện cảm rò rỉ tương thích với mô phỏng cấp bộ chuyển đổi.

Các khái niệm kỹ thuật chính

• Dòng điện khe hở hư cấu: Khe hở không khí của lõi từ được thay thế bằng một nguồn dòng điện tương đương có độ lớn bằng từ thông nhân với điện trở khe hở, tái tạo trường rìa trong cửa sổ cuộn dây.
• Phương pháp hình ảnh: Vật liệu từ tính được loại bỏ và thay thế bằng các nguồn dòng điện phản chiếu sao cho trường trong vùng cuộn dây không thay đổi, cho phép biểu diễn "mặt phẳng dây dẫn" tương đương.
• Tính toán tổn thất khoảng cách: Khi đã biết dòng điện dẫn và từ trường cục bộ, tổn thất khoảng cách và hiệu ứng da thu được thông qua các biểu hiện phân tích, đáng tin cậy đối với dây dẫn tròn nhưng không đủ đối với dấu vết phẳng.
• Biến dạng dòng xoáy phẳng: Các dấu vết PCB mỏng, rộng chịu các trường có các thành phần trực giao trải qua dòng điện xoáy mạnh làm biến dạng đáng kể từ trường và làm mất hiệu lực của các mô hình tiệm cận được đơn giản hóa.
• Công cụ Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình FEM 2D, được triển khai trong Comsol và được giải trên đám mây, giải trực tiếp các phương trình Maxwell cho hình học nhất định, nắm bắt tất cả các hiệu ứng vật lý có liên quan bao gồm tổn thất da và khoảng cách và tương tác giữa các cuộn dây song song.
• Mô hình bán 3D: Kết quả từ các lát cắt FEM 2D được chuyển đổi thành đại lượng 3D hiệu quả bằng cách sử dụng khái niệm gần như 3D điều chỉnh độ dài vòng quay hiệu quả và khoanh vùng tổn thất theo vị trí chúng xảy ra vật lý dọc theo đường cuộn dây.
• Mô hình điện dung: Cấu trúc phẳng bao gồm mô hình điện dung hở mạch sơ cấp cho phép ước tính tần số cộng hưởng đầu tiên khi kết hợp với điện cảm sơ cấp, xác định dải tần khả thi.
• Mô hình rò rỉ phân tích: Điện cảm rò rỉ vẫn được tính toán phân tích trong công cụ phẳng, cho phép đánh giá nhanh các chiến lược xen kẽ và vị trí cuộn dây phụ mà không cần FEM đầy đủ cho mỗi lần lặp lại.
• Tính toán tổn thất được phân giải bằng sóng hài: Công cụ này có thể nhập các dạng sóng cuộn dây ở định dạng CSV và xem xét nhiều sóng hài (DC, cơ bản, các thành phần lẻ cao hơn) để tính toán tổn thất dưới kích thích thực tế.
• Tinh chỉnh bố cục phẳng lặp đi lặp lại: Các kỹ sư có thể điều chỉnh số lớp, phân phối lượt, khoảng cách và xen kẽ để đánh đổi mật độ dòng điện, điện cảm rò rỉ và tổn thất, với FEM cung cấp phản hồi định lượng.

Phân tích và thực hiện

Kiến trúc mô hình tổng thể

Công cụ phẳng Frenetic tích hợp ba mô hình chính trong kiến trúc của nó: mô hình tổn thất dựa trên FEM, mô hình điện dung ký sinh và mô hình điện cảm rò rỉ phân tích. Các kỹ sư truy cập các mô hình này thông qua một ứng dụng xác định hình dạng máy biến áp hoặc cuộn cảm, tạo ra các điều kiện lưới và biên thích hợp, kích hoạt mô phỏng và trả về các đại lượng đã xử lý như tổn thất DC và AC, điện cảm rò rỉ giữa các cuộn dây và điện dung hở mạch.

Quy trình mô hình hóa có thể được tóm tắt như sau:

1. Định nghĩa hình học và tham số trong ứng dụng phẳng (loại lõi, khoảng trống, cửa sổ PCB, cuộn dây, dòng điện).
2. Chuyển đổi hình học thành mô hình FEM 2D trong Comsol và tạo lưới từ tính.
3. Áp dụng các điều kiện biên và kết nối tương ứng với dạng sóng kích thích cho từng cuộn dây.
4. Lời giải số của phương trình Maxwell để thu được phân bố trường và mật độ tổn thất cục bộ.
5. Chuyển đổi gần như 3D của kết quả 2D thành các giá trị tổn thất và điện cảm 3D.
6. Tính toán phân tích điện cảm rò rỉ và điện dung đã chọn.
7. Xử lý hậu kỳ và trả lại tổng tổn thất trên mỗi cuộn dây, các mục nhập ma trận rò rỉ và điện dung chính cho ứng dụng phẳng.

Khuôn khổ này cho phép công cụ nắm bắt các tương tác phức tạp trong các cấu trúc phẳng trong khi vẫn duy trì trải nghiệm thiết kế tương tác, với các tính toán FEM điển hình yêu cầu theo thứ tự 20–40 giây cho mỗi cấu hình.

Mô hình tổn thất thông thường và những hạn chế của nó

Trong trình mô phỏng Frenetic thông thường (không phẳng), tổn thất được tính bằng cách biểu diễn lõi và khe hở bằng cách sử dụng dòng điện tương đương và phương pháp phản chiếu. Khe hở không khí được thay thế bằng một dòng điện hư cấu có cường độ:Imag=Φ Rgaptrong đó Φ là từ thông và Rgap là sự miễn cưỡng của khoảng trống. Dòng điện này tái tạo từ trường giống như vùng khe hở ban đầu trong không gian xung quanh.

Tiếp theo, vật liệu từ tính được loại bỏ khỏi mô hình và thay thế bằng các nguồn dòng điện phản chiếu. Mục tiêu là bảo toàn từ trường trong cửa sổ cuộn dây trong khi đơn giản hóa hình học. Sau khi lặp lại đủ phản chiếu, cấu hình giống như một mặt phẳng vô hạn chứa các dây dẫn (cả cuộn dây thực tế và dòng điện tương đương khe hở), và trường trong bất kỳ dây dẫn nhất định nào thu được dưới dạng chồng chất đóng góp từ tất cả các dây dẫn khác.

Khi dòng điện qua dây dẫn và trường cục bộ được biết, tổn thất da và khoảng cách được truy xuất bằng cách sử dụng các phương trình phân tích tiêu chuẩn cho dây tròn. Ở dạng đơn giản hóa, tổn thất tiệm cận tỷ lệ thuận với bình phương của tích của mật độ dòng điện và độ lớn trường, với các yếu tố phụ thuộc vào tần số bắt nguồn từ kích thước dây dẫn và tính chất vật liệu.

Tuy nhiên, cách tiếp cận này giả định rằng dòng điện xoáy cảm ứng chỉ làm nhiễu loạn trường yếu và tiết diện dây dẫn xấp xỉ hình tròn. Cả hai giả định đều không đúng trong từ tính phẳng, trong đó các dấu vết PCB thể hiện tỷ lệ chiều rộng trên chiều cao lớn và các thành phần trường trực giao mạnh, dẫn đến biến dạng dòng điện xoáy nghiêm trọng. Kết quả là, mô hình dựa trên dây tròn thông thường trở nên không đáng tin cậy đối với các thiết kế phẳng.

Mô hình tổn thất phẳng dựa trên FEM

Để khắc phục những hạn chế này, công cụ phẳng sử dụng công thức phương pháp phần tử hữu hạn 2D làm mô hình tổn thất cốt lõi cho các cấu trúc phẳng. FEM phân rời không gian giải thành các phần tử nhỏ, giải các phương trình Maxwell trong mỗi phần tử và thực thi các điều kiện liên tục và biên trên lưới. Điều này cung cấp phân bố trường chi tiết, bao gồm cách dòng xoáy phân phối lại mật độ dòng điện trong các dấu vết.

Trong công cụ phẳng Frenetic, Comsol được sử dụng làm công cụ FEM và chạy trên đám mây. Mô hình bao gồm:

• Mặt cắt ngang 2D chính xác của lõi, cửa sổ PCB và dấu vết.
• Vật liệu dẫn điện cho các dấu vết với hiệu ứng da và vùng lân cận phụ thuộc vào tần số.
• Vật liệu từ tính cho lõi có độ thấm thích hợp.
• Vùng không khí và khe hở, bao gồm cả các cánh đồng rìa.

FEM trực tiếp mang lại lợi nhuận:

• Mật độ từ thông cục bộ và cường độ trường trên mặt cắt ngang.
• Phân bố mật độ dòng điện cảm ứng trong từng vùng dây dẫn.
• Mật độ mất điện cục bộ do hiệu ứng xoáy và điện trở.

Tổng tổn thất trên mỗi cuộn dây sau đó thu được bằng cách tích hợp mật độ tổn thất cục bộ trên mặt cắt ngang của dây dẫn và áp dụng tỷ lệ gần như 3D, như được mô tả trong phần tiếp theo. Bởi vì giải pháp FEM tính đến ảnh hưởng lẫn nhau của dòng điện xoáy và trường, nó nắm bắt chính xác các tổn thất trực giao rất mạnh do trường trực giao gây ra đặc trưng của hình học phẳng.

Sự đánh đổi chính được FEM giới thiệu là thời gian tính toán: mô phỏng thường mất 20–40 giây và có thể đạt khoảng 1–2 phút khi yêu cầu nhiều sóng hài. Điều này chậm hơn so với các mô hình phân tích thuần túy, nhưng cần thiết để mô hình hóa tổn thất phẳng một cách trung thực.

Mô hình bán 3D từ lát cắt 2D

Từ tính phẳng vốn có ba chiều: các dấu vết đi theo các đường dẫn phức tạp xung quanh các cửa sổ lõi, bao gồm các đoạn thẳng và các góc tròn. Mô phỏng FEM 3D thuần túy sẽ quá chậm để thiết kế tương tác, vì vậy công cụ phẳng dựa trên khái niệm gần như 3D được phát triển trong công trình học thuật trước đó và được triển khai trong ngăn xếp mô hình hóa của Frenetic.

Bản chất của phương pháp bán 3D là giải thích kết quả mật độ tổn thất 2D trong bối cảnh của các phân đoạn khác nhau dọc theo đường cuộn dây 3D thực tế. Ý tưởng cốt lõi là:

• Phân chia đường uốn lượn thành các đoạn: chi thẳng gần chân lõi, vùng góc và các phần khác biệt về mặt hình học khác.
• Nhận ra rằng tổn thất không được phân bổ đồng đều dọc theo lượt; Một số vùng nhất định (ví dụ: mặt trong của cửa sổ lõi) có thể thể hiện mật độ tổn thất cao hơn nhiều so với những vùng khác.
• Gán độ dài 3D hiệu quả cho mỗi vùng tổn thất 2D theo vị trí phân đoạn vật lý tương ứng nằm trong cuộn dây thực.

Ví dụ, hãy xem xét một dấu vết phẳng chạy xung quanh cửa sổ E-core. Giả sử kết quả FEM cho thấy mật độ tổn thất cao ở đoạn gần chân lõi bên trong nhất. Sẽ quá đơn giản nếu nhân tổn thất 2D này với độ dài lượt trung bình. Thay vào đó, phương pháp gần như 3D nhân các vùng tổn thất cao với chiều dài thực tế của dấu vết nhìn thấy các điều kiện trường tương tự, có thể dài hơn chiều dài đoạn trung bình. Ngược lại, các vùng tổn thất thấp được nhân với độ dài hiệu quả ngắn hơn. Điều này tạo ra một ước tính tổng tổn thất chính xác tính đến vị trí xảy ra tổn thất trong đường dẫn 3D.

Cách tiếp cận này đặc biệt quan trọng đối với các thiết kế phẳng có dấu vết rất rộng, trong đó tính trung bình dựa trên chiều dài vòng quay trung bình sẽ đánh giá thấp hoặc đặt sai vị trí nồng độ tổn thất. Bằng cách sử dụng tỷ lệ gần như 3D, công cụ phẳng duy trì hiệu quả tính toán của FEM 2D trong khi khôi phục tổng tổn thất 3D thực tế.

Mô hình điện dung và cộng hưởng

Máy biến áp phẳng và cuộn cảm thường thể hiện điện dung ký sinh cao hơn so với các máy biến áp quấn dây của chúng vì:

• Các lớp PCB tạo ra các khu vực dẫn điện chồng lên nhau lớn được ngăn cách bởi chất điện môi mỏng.
• Khoảng cách theo dõi và lớp này sang lớp khác có thể rất nhỏ.
• Hình học tổng thể giống như tấm hơn là giống đường thẳng, ủng hộ điện dung cao hơn.

Công cụ phẳng bao gồm một mô hình điện dung tập trung vào điện dung mạch hở sơ cấp. Giá trị này rất quan trọng bởi vì, khi kết hợp với điện cảm sơ cấp, nó xác định tần số tự cộng hưởng đầu tiên của thành phần:fres=12πLpriCpri,ocBiết được sự cộng hưởng đầu tiên này cung cấp một mức trần tần số mà trên đó hành vi của thành phần thay đổi đáng kể và tổn thất hoặc các vấn đề về EMI có thể tăng lên. Mặc dù mô hình điện dung đặc biệt quan trọng đối với từ phẳng, nhưng cách tiếp cận này được nhắm mục tiêu để tích hợp rộng rãi hơn vào môi trường mô phỏng Frenetic nói chung.

Công cụ phẳng trình bày cả kết quả tổn thất và điện dung cùng nhau, cho phép các kỹ sư đánh giá sự đánh đổi giữa giảm thiểu tổn thất và giữ tần số cộng hưởng thoải mái trên phạm vi hoạt động.

Mô hình điện cảm rò rỉ phân tích

Điện cảm rò rỉ trong công cụ phẳng được xử lý phân tích chứ không phải thông qua FEM. Điều này cho phép ước tính rất nhanh về cách các quyết định bố trí ảnh hưởng đến khớp nối giữa các cuộn dây. Công cụ tính toán:

• Rò rỉ giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp.
• Rò rỉ giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây phụ (trong ví dụ flybackample).

Những giá trị này rất cần thiết cho:

• Hạn chế tăng đột biến điện áp trên các thiết bị chính như MOSFET (rò rỉ sơ cấp-thứ cấp).
• Đạt được sự điều chỉnh tốt và phản ứng thoáng qua (rò rỉ chính-phụ trợ).

Bởi vì mô hình rò rỉ là phân tích, các kỹ sư có thể nhanh chóng thực hiện nhiều lần lặp lại các chiến lược xen kẽ và vị trí cuộn dây trước khi cam kết mô phỏng tổn thất và điện dung FEM đầy đủ. Sự tách biệt giữa mô hình rò rỉ và tổn thất này cung cấp một quy trình thiết kế cân bằng, trong đó tối ưu hóa khớp nối thô nhanh chóng và đánh giá tổn thất chi tiết hơn nhưng chậm hơn.

Bảng 1 - Phương pháp mô hình hóa và các trường hợp sử dụng

Quy trình thiết kế máy biến áp phẳng Flyback

Hội thảo trên web trình bày công cụ phẳng bằng cách sử dụng Flyback Bộ chuyển đổi, một cấu trúc liên kết trong đó máy biến áp phẳng đặc biệt hấp dẫn. Quy trình thiết kế tích hợp ba công cụ Frenetic:

1. Trợ lý AI điên cuồng: Bắt đầu từ các yêu cầu đầu vào và đầu ra (điện áp đầu vào và đầu ra, công suất đầu ra, tần số chuyển mạch), công cụ AI tổng hợp một sơ đồ flyback hoàn chỉnh, bao gồm IC điều khiển và tất cả các thông số thành phần cần thiết. Nó cũng xác định một cuộn dây phụ để thiên vị hoặc dọn dẹp.
2. Trình mô phỏng từ tính (thông thường): Từ tính do AI đề xuất được nhập vào trình mô phỏng từ, nơi các kỹ sư có thể điều chỉnh loại lõi, chi tiết cuộn dây và chế độ vận hành (chẳng hạn như chuyển từ chế độ dẫn không liên tục sang chế độ dẫn liên tục bằng cách thay đổi điện cảm từ hóa). Giải pháp E-core thông thường (ví dụ: E25) được sử dụng làm điểm khởi đầu.
3. Công cụ mô phỏng và thiết kế phẳng: Khi mục tiêu là máy biến áp phẳng tích hợp PCB, thiết kế sẽ chuyển sang công cụ phẳng. Cuộn dây thông thường trước đây được loại bỏ để giải phóng khu vực cửa sổ cho cuộn dây PCB và một họ lõi phẳng được chọn, bao gồm dữ liệu vật liệu và khe hở.

Quy trình làm việc phẳng sau đó tiến hành như sau:

1. Lựa chọn lõi và xác định khoảng cách
   • Sử dụng trình tối ưu hóa lõi để chọn họ lõi phẳng (ví dụ: hình E phẳng) và vật liệu (chẳng hạn như N95), sử dụng giới hạn mật độ thông lượng đỉnh tương tự như phương pháp tích diện tích nhưng được biểu thị bằng BpeakBpeak.
   • Xác định cấu hình khoảng trống: số lượng khoảng trống, vị trí của chúng (chân giữa, chân bên) và kích thước khe hở (ví dụ: một khoảng trống 0,8 mm duy nhất ở chân giữa).
2. Cửa sổ PCB và định nghĩa ngăn xếp
   • Chỉ định chiều cao và chiều rộng PCB có thể sử dụng bên trong cửa sổ lõi.
   • Xác định số lượng lớp PCB tối đa hoặc tương đương với tổng độ dày PCB, tùy chọn khớp với một ngăn xếp bảng nhất định (ví dụ: 3,2 mm).
   • Quyết định xem máy biến áp phẳng là một thành phần PCB rời rạc hay được tích hợp trong PCB bộ chuyển đổi chính.
3. Cấu hình quanh co và dòng tham chiếu
   • Khai báo các cuộn dây (sơ cấp, phụ, phụ) và số lượt của chúng, theo tỷ lệ từ thiết kế máy biến áp có nguồn gốc từ AI (ví dụ: 25 vòng sơ cấp, 5 vòng phụ, 5 vòng phụ).
   • Nhập dòng điện RMS tham chiếu cho mỗi cuộn dây (ví dụ: khoảng 0,44 A cho cuộn sơ cấp, 0,1 A cho các cuộn dây khác) để công cụ có thể tính toán mật độ dòng điện trong thời gian thực khi hình học dấu vết được thiết kế.
4. Bố cục theo dõi và lớp
   • Xác định số lượt trên mỗi lớp, mang lại tổng số lớp.
   • Đặt khoảng cách từ dấu vết đến dấu vết trong mỗi lớp và khoảng cách cạnh từ dấu vết đến PCB để đáp ứng các ràng buộc về khả năng cách ly và khả năng sản xuất (ví dụ: khoảng cách 0,3 mm, 0,5 mm đến mép bo mạch).
   • Gán lượt cho các lớp cụ thể, đảm bảo rằng tất cả các cuộn dây phù hợp với cửa sổ PCB có sẵn và chiều cao lõi.
5. Phân tích rò rỉ ban đầu và xen kẽ
   • Tải lên dạng sóng hiện tại cho mỗi cuộn dây dưới dạng tệp CSV được xuất từ bộ mô phỏng từ tính (bao gồm DC, cơ bản và sóng hài cao hơn được chọn).
   • Chạy một mình mô hình điện cảm rò rỉ để nhanh chóng bị rò rỉ giữa sơ cấp-thứ cấp và sơ cấp-phụ trợ.
   • Quan sát các giá trị rò rỉ so với các dung dịch vết thương thông thường. Nếu rò rỉ quá cao, hãy điều chỉnh xen kẽ bằng cách sắp xếp lại các lớp PCB (ví dụ: sắp xếp các lớp sơ cấp và thứ cấp xen kẽ).
6. Mô phỏng tổn thất và điện dung FEM
   • Khi đạt được một mẫu xen kẽ có thể chấp nhận được, hãy chạy mô phỏng đầy đủ bao gồm tổn thất FEM và trích xuất điện dung.
   • Chọn bao nhiêu sóng hài để đưa vào, lưu ý rằng nhiều sóng hài hơn làm tăng thời gian mô phỏng nhưng cũng cải thiện độ chính xác cho các dạng sóng có hàm lượng tần số cao đáng kể.

Quy trình làm việc này cho phép các kỹ sư chuyển từ thiết kế từ tính flyback thông thường sang triển khai hoàn toàn phẳng trong khi quản lý sự đánh đổi giữa mật độ dòng điện, tổn thất, rò rỉ và điện dung.

Tối ưu hóa xen kẽ và rò rỉ

Hội thảo trên web nêu bật cách các chiến lược xen kẽ ảnh hưởng đáng kể đến điện cảm rò rỉ trong cấu trúc phẳng. Ban đầu, với cấu hình không xen kẽ, điện cảm rò rỉ sơ cấp-thứ cấp được phát hiện là cao hơn nhiều so với máy biến áp lõi E thông thường, trái ngược với kỳ vọng phổ biến rằng máy biến áp phẳng có độ rò rỉ thấp hơn. Lý do là cách bố trí ban đầu cọc các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ở các mặt riêng biệt của ngăn xếp mà không có đủ chồng chéo.

Bằng cách gán lại các lớp để cuộn dây sơ cấp và thứ cấp xen kẽ trong ngăn xếp, công cụ này thể hiện một trường hợp "xen kẽ hoàn hảo", trong đó rò rỉ sơ cấp-thứ cấp được giảm đáng kể. Trong cấu hình này, mỗi lớp chính tiếp giáp với một lớp phụ, tối đa hóa sự ghép nối lẫn nhau và giảm thiểu rò rỉ.

Cuộn dây phụ được coi là một cuộn dây riêng biệt có thể nằm gần cuộn sơ cấp hơn. Sự rò rỉ của nó so với sơ cấp là rất quan trọng đối với chất lượng quy định và phản ứng bước. Nếu rò rỉ sơ cấp-phụ cao, quy định giảm và phản ứng động chậm lại. Trong bản demo, cuộn dây phụ được di chuyển trong ngăn xếp và các dấu vết song song bổ sung được thêm vào:

• Thêm các dấu vết song song cho cuộn dây phụ làm tăng tiết diện đồng hiệu quả và có thể cải thiện khớp nối mà không ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất, đặc biệt là đối với dòng điện phụ nhỏ.
• Bằng cách điều chỉnh vị trí lớp phụ và sắp xếp dấu vết, công cụ cho thấy sự giảm điện cảm rò rỉ sơ cấp-phụ trợ.

Quá trình này minh họa cách công cụ phẳng cho phép tinh chỉnh rò rỉ thông qua các thay đổi xếp chồng và xen kẽ mà không yêu cầu tính toán trường thủ công lặp đi lặp lại.

Sự thay đổi khoảng cách và hành vi mất mát

Kích thước khe hở ảnh hưởng trực tiếp đến cả điện cảm và tổn thất. Trong ví dụ flyback, một số cấu hình được so sánh:

• Khoảng cách danh nghĩa không xen kẽ.
• Tăng khoảng cách với cùng một bố cục.
• Khoảng cách bằng không (lý thuyết, không thực tế cho hoạt động flyback).

Kết quả mô phỏng cho thấy việc loại bỏ khe hở làm giảm đáng kể tổn thất (ví dụ: từ khoảng 0,76–0,67 W xuống khoảng 0,51 W). Mặc dù cấu hình không có khe hở không khả thi để lưu trữ năng lượng trong máy biến áp flyback, nhưng so sánh này nhấn mạnh tác động của các trường vân do khe hở gây ra đối với tổn thất. Khoảng cách lớn hơn làm giảm độ tự cảm và dịch chuyển cộng hưởng nhưng cũng có thể sửa đổi tổn thất tiệm cận do trường viền.

Công cụ phẳng giúp dễ dàng tham số hóa kích thước khe hở và quan sát sự thay đổi tổn thất và rò rỉ như thế nào, hỗ trợ sự đánh đổi sáng suốt giữa lưu trữ năng lượng từ, hiệu suất nhiệt và khả năng tần số chuyển mạch.

Tách mất DC và AC

Công cụ phẳng báo cáo tổn thất DC và AC riêng biệt cho từng cuộn dây:

• Tổn thất DC chủ yếu là điện trở và tỷ lệ với điện trở DC bình phương dòng điện và dây dẫn.
• Tổn thất AC bao gồm sự đóng góp từ da và hiệu ứng lân cận được thúc đẩy bởi hàm lượng hài của dạng sóng.

Trong ví dụ flyback, cuộn dây phụ thể hiện tổng tổn thất không đáng kể vì dòng điện của nó nhỏ và hình dạng của nó tương đối đơn giản. Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cho thấy tổn thất DC và AC không bằng không, với tổn thất AC ngày càng trở nên phù hợp khi tần số chuyển mạch và nội dung sóng hài tăng lên.

Tách tổn thất DC và AC là rất quan trọng đối với:

• Đánh giá mức độ cải thiện có thể đạt được bằng cách giảm mật độ dòng điện (đối với DC) hoặc sửa đổi hình học và xen kẽ (đối với AC).
• Ước tính sự gia tăng nhiệt độ và nguy cơ thoát nhiệt tiềm ẩn khi mật độ dòng điện trở nên quá mức đối với đồng có sẵn và làm mát.

Công cụ này cũng đánh dấu các tình huống không có cuộn dây thông thường nào có thể được điều chỉnh với mật độ dòng điện chấp nhận được, cho thấy cần phải chuyển sang triển khai phẳng hoặc thay đổi kích thước lõi.

Bảng 2 - Cấu hình máy biến áp phẳng Flyback

Bảng 3 - Hình học cuộn dây và mật độ dòng điện

Kết quả và phương pháp hay nhất

Sự kết hợp của mô hình tổn thất dựa trên FEM, tỷ lệ gần như 3D, đánh giá rò rỉ phân tích và mô hình điện dung mang lại một khung thiết kế mạnh mẽ cho từ tính phẳng. Từ ví dụ flyback và lý thuyết cơ bản, một số thực tiễn tốt nhất xuất hiện:

• Sử dụng các công cụ phân tích và trợ lý thiết kế dựa trên AI để nhanh chóng xác định thông số kỹ thuật từ tính và nhận được các đề xuất lõi và cuộn dây ban đầu trước khi cam kết bố trí phẳng.
• Coi việc lựa chọn khe hở và vị trí là đòn bẩy thiết kế chính, vì chúng ảnh hưởng mạnh mẽ đến cả điện cảm và tổn thất thông qua các trường viền, đặc biệt là trong các dấu vết phẳng rộng.
• Khai thác các tính toán rò rỉ phân tích để khám phá nhiều chiến lược xen kẽ và xếp chồng; chỉ sau khi đạt được rò rỉ hợp lý, bạn mới nên chạy mô phỏng FEM đầy đủ.
• Sử dụng dòng điện RMS tham chiếu và phản hồi mật độ dòng điện để đảm bảo rằng kích thước đồng PCB và số lượng lớp đủ để tránh tổn thất điện trở DC cao và thoát nhiệt.
• Đặc biệt chú ý đến các cuộn dây phụ trong các cấu trúc liên kết như flyback: sự rò rỉ của chúng so với sơ cấp ảnh hưởng đến quy định, trong khi dòng điện nhỏ của chúng mang lại nhiều tự do hơn trong việc định cỡ và sao chép dấu vết.
• Xem xét sớm giới hạn điện dung và cộng hưởng; Máy biến áp phẳng có đặc tính tổn thất tuyệt vời nhưng tần số cộng hưởng đầu tiên quá thấp có thể bị hỏng trong các ứng dụng tần số cao.

Áp dụng các phương pháp này trong công cụ phẳng Frenetic cho phép các kỹ sư rút ra từ tính phẳng không chỉ có cấu hình thấp và có thể sản xuất được mà còn hoạt động tốt về tổn thất, rò rỉ và hành vi cộng hưởng.

Kết luận

Mô hình hóa chính xác từ tính phẳng đòi hỏi nhiều hơn là điều chỉnh các công thức dây tròn cho phù hợp với dấu vết PCB. Dòng xoáy mạnh, phân bố trường thay đổi, điện dung tăng cao và hình học 3D phức tạp đòi hỏi một cách tiếp cận số và phân tích kết hợp. Công cụ phẳng Frenetic đáp ứng nhu cầu này bằng cách tích hợp FEM 2D, tái tạo tổn thất gần như 3D, mô hình rò rỉ phân tích và ước tính điện dung vào một môi trường thiết kế thống nhất.

Đối với các kỹ sư và người ra quyết định kỹ thuật, điều này có nghĩa là máy biến áp phẳng và cuộn cảm có thể được thiết kế với sự hiểu biết rõ ràng về cách hình học, khe hở, xen kẽ và gán cuộn dây ảnh hưởng đến tổn thất, rò rỉ và cộng hưởng. Với các thiết kế ban đầu do AI điều khiển đưa vào công cụ phẳng và phản hồi rõ ràng về tổn thất DC / AC và ký sinh, các nhóm có thể tối ưu hóa từ tính một cách có hệ thống cho bộ chuyển đổi công suất mật độ cao. Các cải tiến trong tương lai, chẳng hạn như cuộn dây phẳng và dây tròn hỗn hợp hoặc các sơ đồ cách ly tiên tiến hơn, sẽ mở rộng hơn nữa không gian của các thiết kế có thể thực hiện được trong khi vẫn duy trì sự nghiêm ngặt của mô hình được giới thiệu ở đây.