Литцендрат для LLC-резонансных конвертеров: расчёт по методике 2025
LLC-резонансный конвертер на резонансной частоте (fr) работает с почти синусоидальным током, и расчёт по Доуэллу, Феррейре и Салливану на этом режиме даёт корректный ответ. В реальной эксплуатации — бортовое зарядное устройство электромобиля (OBC, On-Board Charger), серверный блок питания, телекоммуникационный выпрямитель — конвертер уходит с резонанса почти всегда. Гармоники тока вырастают до 15–25 %, интегрированная индуктивность утечки создаёт поле рассеяния (fringing field) у воздушного зазора, а межобмоточная ёмкость слоёной обмотки соизмерима с выходной ёмкостью полевых ключей Coss на карбиде кремния (SiC) и нитриде галлия (GaN) и съедает запас по мягкой коммутации (ZVS, zero-voltage switching) на лёгкой нагрузке. Рабочий расчёт литца под LLC к 2025 году складывается из четырёх шагов: схемная симуляция, двумерная конечно-элементная модель окна обмотки (FEMM) с гомогенизированным пучком жил по Микеру, метод квадрата производной поля (SFD, Squared-Field-Derivative) по Салливану и совместная оптимизация сердечника и обмотки. Ручной расчёт остаётся как контрольная прикидка, а не как основа решения.
Дальше разберём, в каких местах LLC выпадает из базовой методики расчёта, как устроен рабочий процесс 2025 года и как он отрабатывает на одном реальном проекте — SiC-зарядка 3,3 кВт на 200 кГц. База (скин-эффект, формула Доуэлла, оптимум Салливана) подробно разобрана у нас в статье про скин-эффект и эффект близости; транспозиция и скин-эффект на уровне пучка — в статье про выбор марки литцендрата, повторяться сюда не будем. Здесь — LLC-специфика и инструменты, которые ставят в 2025-м.
LLC-трансформатор: 2018 → 2025
В 2018 году типичный LLC-трансформатор для серверного блока питания (PSU, Power Supply Unit) 800 Вт считался часа за два. Брали Доуэлла, прикидывали слои, подбирали жилу по правилу Салливана ds ≈ δ/2, ставили в работу. Перегрелось — переделывали с более тонкой жилой, и обычно этого хватало. За семь лет картина изменилась радикально. Резонансные частоты LLC уехали с 100–150 кГц до 250–500 (на GaN до мегагерца). В бортовых зарядных устройствах появилось требование диапазона по выходному напряжению 1:2,5. Резонансные дроссели переехали внутрь трансформатора, и в сердечниках вылезли зазоры по миллиметру и больше. Ключи стали SiC и GaN, выходная ёмкость Coss у них упала с нанофарад до сотен пикофарад. Межобмоточная ёмкость трансформатора (Cps, primary-to-secondary) при этом оказалась в одном весовом классе с Coss самих ключей. Каждое из этих изменений по отдельности на формулу Доуэлла влияет мало, но все вместе ломают её настолько, что ручной расчёт перестаёт быть первой прикидкой и начинает уводить в сторону.
Гармоники, которых на резонансе не было
Все знают: на резонансе ток в первичной обмотке LLC — синусоида с коэффициентом гармонических искажений (THD, Total Harmonic Distortion) меньше 3 %. Резонансный контур фильтрует всё, что выше первой гармоники. Если бы конвертер всегда работал на резонансной частоте fr, разговаривать было бы не о чем.
Проблема в том, что регулирование выходного напряжения в LLC делается изменением частоты переключения. Рабочая частота fsw гуляет вокруг fr от нижнего fmin до верхнего fmax. Для зарядки с диапазоном выходного напряжения Vout от 250 до 450 В этот частотный диапазон закладывают 1:2,2 (например, с 130 до 290 кГц при fr = 200 кГц). На границах диапазона форма тока меняется неузнаваемо.
В режиме «выше резонанса» (boost-mode, режим повышения — когда Vout низкий и нужно «обрезать» коэффициент передачи) ток становится почти треугольным. В режиме «ниже резонанса» (buck-mode, режим понижения) появляется характерная «синусоида с горбом». В обоих случаях третья гармоника подскакивает до 12–18 % от основной, пятая — до 3–5 %. Импульсный режим лёгкой нагрузки (burst-mode) вообще даёт пачки коротких импульсов с произвольным спектром.
Третья гармоника попадает на 3·fr, то есть на 600 кГц при fr = 200. Глубина скин-слоя (δ) там вдвое меньше. Для жилы AWG 36 (ds = 0,127 мм) на 200 кГц отношение ds/δ ≈ 0,65; на 600 кГц уже 1,13. Это режим нарастающего скин-эффекта, коэффициент роста сопротивления FR = RAC/RDC на третьей гармонике оказывается в 5–6 раз выше, чем на первой. Считаем вклад третьей гармоники в общие потери:
- P1, P3
- мощности медных потерь от первой и третьей гармоник тока, Вт
- I1, I3
- действующие амплитуды первой и третьей гармоник тока первичной обмотки, А
- RAC(f)
- сопротивление обмотки переменному току на частоте f, Ом (для тонкой жилы растёт примерно как f2)
- 0,15
- относительная амплитуда третьей гармоники в режиме повышения (15 % от основной)
- 5,5
- отношение RAC(3f) / RAC(f) для AWG 36 при переходе с 200 на 600 кГц
То есть в режиме повышения третья гармоника добавляет 12 % к медным потерям. На инверторе с карбид-кремниевыми ключами и фронтами в единицы наносекунд (Wolfspeed C3M, Infineon CoolSiC G4) вклад высших гармоник ещё ощутимее. Считать LLC только на резонансной частоте fr в 2025 году значит закладывать перегрев на 15–20 °C сверх расчётного.
Данные снимаются симуляцией в PLECS для реальной зарядки 3,3 кВт. На резонансе спектр чистый, тонкая жила литцендрата справляется идеально. На границах диапазона регулирования (повышение и понижение) третья гармоника подскакивает до 14–15 %, а её RAC на тройной частоте в 5–6 раз выше, чем у основной. Считать литц только на резонансной частоте fr в этом случае значит промахнуться по потерям на 12–20 %.
Поле у воздушного зазора
Базовая модель Доуэлла предполагает, что в окне обмотки поле плоскопараллельное и идёт вдоль оси. Это работает в трансформаторе без зазора, где весь магнитный поток замкнут через железо.
В LLC так не получается. Резонансный контур требует индуктивности утечки Lr: её либо собирают на отдельном дросселе (исторический вариант), либо интегрируют в трансформатор за счёт магнитной геометрии и зазора. Производители в 2025 году делают только второй вариант: меньше деталей, дешевле сборка, компактнее.
Зазор в LLC получается 0,3–1,5 мм, иногда больше. Поле над ним не уходит сразу в железо — оно расходится «веером» в окно обмотки. Жилы, оказавшиеся в первых одном-двух миллиметрах от зазора, попадают в локальное поле, в 5–10 раз превышающее среднюю расчётную напряжённость H.
Точные коэффициенты публиковал Мюлеталер в 2012 году (диссертация в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, ETH, открытый PDF). Локальный коэффициент роста сопротивления FR от расстояния до зазора:
| Расстояние от зазора | Поправка к FR локально |
|---|---|
| 1 мм | × 5–10 |
| 3 мм | × 2–3 |
| 5 мм | × 1,3–1,5 |
| 10 мм | × 1,05 |
Что эти цифры означают в железе: «в среднем по обмотке» трансформатор сделан правильно, потери приемлемые. Но первые два-три витка у зазора греются до 180–200 °C, лак деградирует за месяц, и через полгода эксплуатации идут пробой, дуга, замена. Это, наверное, самая частая причина возврата на гарантию у бортовых зарядных устройств среднего качества.
Лечится распределённым зазором (две-три части), технологическим отступом 3–5 мм между обмоткой и торцом сердечника, в мощных конструкциях — медными шунтами Фарадея, отводящими поле рассеяния. Любой из этих вариантов на бумаге не считается. Считается только моделированием в двумерной конечно-элементной модели окна обмотки.
Условная карта по данным Mühlethaler (ETH 2012), верифицированная в 2D FEMM-моделях. Внутренние два витка любой обмотки, оказавшиеся в 1–2 мм от зазора, попадают в локальное поле в 5–10 раз сильнее среднего. Локальные потери растут квадратично, и температура жилы в этой зоне доходит до 180–200 °C при средней по обмотке 110 °C. Лечится тремя путями одновременно: распределённый зазор (две-три части вместо одного), технологический отступ ≥ 3 мм от торца сердечника, в мощных конструкциях — медные шунты Фарадея.
Когда мягкая коммутация (ZVS) пропадает на лёгкой нагрузке
Третий пункт самый неочевидный. И тот, на котором чаще всего попадаются разработчики, перешедшие с биполярных транзисторов с изолированным затвором на кремнии (Si IGBT) на полевые ключи на карбиде кремния.
LLC даёт КПД 96–98 % за счёт мягкой коммутации первичных ключей (ZVS, zero-voltage switching — переключение при нулевом напряжении сток-исток). Чтобы ZVS работала, намагничивающий ток Im за «мёртвое время» td (пауза между выключением одного ключа полумоста и включением второго) должен перезарядить выходные ёмкости обоих ключей. Условие:
- Im
- пиковый намагничивающий ток первичной обмотки, А
- td
- «мёртвое время» между переключением верхнего и нижнего ключа полумоста, с (типично 100–300 нс)
- Vin
- входное постоянное напряжение полумоста, В
- Ctotal
- суммарная ёмкость на узле перезаряда: Coss(M1) + Coss(M2) + Cps, Ф
- Coss
- выходная (сток-истоковая) ёмкость полевого транзистора, Ф (для SiC Wolfspeed C3M0021120K ≈ 80 пФ, для GaN GS66516B ≈ 60 пФ)
- Cps
- межобмоточная ёмкость трансформатора между первичной (P, primary) и вторичной (S, secondary) обмотками, Ф (от 30 пФ при слоёвке P-S-P до 250 пФ при P-S-P-S-P-S)
В этой сумме Ctotal инженер обычно подставляет Coss(M1) + Coss(M2) и забывает третий член — Cps, межобмоточную ёмкость трансформатора.
Когда ключи были Si IGBT с Coss в единицы нанофарад, Cps размером 50–100 пФ терялся в шуме. В 2025 году в бортовых зарядных устройствах и серверных блоках питания стоят SiC или GaN: у Wolfspeed C3M0021120K Coss ≈ 80 пФ, у GaN GS66516B около 60. Cps трансформатора с двумя стыками P/S (слоёвка P-S-P, первичка-вторичка-первичка) даёт типично 30–60 пФ, с пятью стыками (P-S-P-S-P-S) уже 90–250.
На полной нагрузке всё работает: Im большой, ZVS держится. На 10 % нагрузки Im падает в десять раз, граница ZVS уплывает выше рабочей точки, и конвертер начинает коммутировать жёстко. На осциллографе это видно как «звон» 30–80 МГц на стоках, плюс +5…10 Вт дополнительных потерь и +20 °C на корпусе ключа.
Лечится одним из двух способов. Первый: увеличивают Im, то есть уменьшают магнитную индуктивность и пересчитывают зазор. Второй: уменьшают Cps, то есть упрощают слоёную компоновку. И вот тут возникает вилка. P-S-P-S-P-S по теории даёт меньшие потери на эффект близости, чем P-S-P. А по факту он же ломает ZVS на лёгкой нагрузке. На реальных конструкциях 1–3 кВт оптимум именно P-S-P: один стык, минимум Cps, эффективное число слоёв обмотки meff = 1 для каждой обмотки. P-S-P-S-P-S академически правильнее, на практике хуже. Это контринтуитивно, и об этом мало пишут.
Расчёт по условию Im·td ≥ 2·Vin·(Coss + Cps) для типичной зарядки 3,3 кВт на полевых ключах Wolfspeed C3M0021120K (Coss ≈ 80 пФ, td = 200 нс, Vin = 400 В). Чем короче зелёный столбец, тем дольше держится ZVS на спаде нагрузки. Слоёвка P-S-P даёт ZVS вплоть до 8 % — это идеальное поведение в режиме холостого хода. P-S-P-S-P-S вынуждает конвертер коммутировать жёстко уже на 38 % нагрузки, в этом режиме на ключах появляется звон 30–80 МГц и +5…10 Вт дополнительных потерь.
Рабочий процесс расчёта в 2025
К 2025 году в индустрии устоялась рабочая методика из шести шагов.
Связка минимальной конфигурации (LTspice, FEMM, Python) полностью бесплатна и закрывает шаги 1–4 для проектов до 5 кВт. Шаги 5–6 имеют смысл на тиражных проектах от 5000 шт/год: GeckoMAGNETICS даёт границу Парето по {Ploss, масса, цена} за вечер, MagNet выдаёт оценку потерь за миллисекунды — это и позволяет внутри оптимизационного цикла перебрать 10⁵–10⁶ конструкций вместо нескольких сотен.
Начинают со схемной симуляции. LTspice (бесплатно) или PLECS (платно, дешевле ANSYS, удобнее для силовой электроники). Снимают токи первичной ipri(t) и вторичной isec(t) обмоток не на резонансе, а в четырёх угловых точках: нижнее Vin × полная нагрузка, верхнее Vin × полная нагрузка, любое Vin × 10 % нагрузки, и пачечный режим (для холостого хода). Главное на этом шаге — чтобы модель полевого ключа учитывала реальную зависимость Coss(V), а модель сердечника — реальную петлю гистерезиса B-H, а не идеальные. Без этого симуляция врёт по гармоникам.
Раскладывают токи в спектр. Либо быстрое преобразование Фурье — БПФ — для последующего суммирования вкладов отдельных гармоник, либо берут i(t) целиком (для SFD-метода, о нём ниже). Получают, по каким частотам и какими амплитудами протекает ток в каждом проводе.
Строят двумерную модель окна обмотки в FEMM или ANSYS Maxwell. FEMM — открытый пакет двумерного расчёта по методу конечных элементов (МКЭ, или FEA в англоязычной литературе). Геометрия здесь реальная: настоящий сердечник, настоящий зазор, настоящее расположение первичной и вторичной обмоток с межобмоточной изоляцией. Самое важное на этом шаге — литцендрат не моделируется по отдельным жилам. Для типичного провода 500×0,07 мм это означало бы миллион узлов сетки и неделю расчёта на одно решение. Вместо этого работает гомогенизированная модель Микера (D. Meeker, 2012): пучок жил заменяется на анизотропный материал с эффективной частотно-зависимой проводимостью σ⊥(f), которая аналитически учитывает потери на эффект близости между жилами «внутри» гомогенизированной заливки. Точность по сравнению с полным МКЭ-расчётом с прорисовкой каждой жилы лежит в пределах 5–10 % для пучков до 1000 жил. На этом упрощении и держится FEMM-расчёт LLC.
Считают потери методом квадрата производной поля (SFD). Метод SFD (Squared-Field-Derivative, Sullivan, IEEE Transactions on Power Electronics, 2001) даёт потери на эффект близости в литцендрате для произвольной формы тока через интеграл квадрата производной магнитной индукции по времени:
- Pprox
- полная мощность потерь на эффект близости во всей литцендратной обмотке, Вт
- n
- общее число жил литцендрата в сечении обмотки, шт
- ℓ
- суммарная длина проводника обмотки (число витков × средняя длина витка), м
- σCu
- удельная электрическая проводимость меди, См/м (при 100 °C: 4,42·107)
- ds
- диаметр отдельной жилы по меди (без лака), м
- Bext
- внешнее магнитное поле в точке расположения жилы, Тл (берётся из 2D FEMM-расчёта)
- ⟨ · ⟩T
- усреднение по периоду коммутации T = 1/fsw; работает для любой формы тока (синус, треугольник, импульс)
Берут магнитную индукцию B(x, y, t) из FEMM (одно решение на каждую гармонику с последующим суммированием либо решение во временной области для произвольной формы i(t)), интегрируют по объёму обмотки, получают Pprox разом для всей обмотки. Складывать вклады отдельных гармоник не надо — это одно действие. На системах с нитрид-галлиевыми ключами и фронтами в наносекунды SFD остаётся фактически единственным рабочим методом: гармонический ряд там не сходится за разумное число членов.
Прогоняют через совместную оптимизацию сердечника и обмотки. Историческая схема (сначала выбрали сердечник, потом обмотку) даёт локальный минимум, не глобальный. Группа Колара в ETH (Мюлеталер, Крисмер, Папаманолис) в работах 2012–2020 показала, что совместная оптимизация по всем параметрам сразу — сердечник, зазор, литцендрат, чередование, изоляция — даёт совсем другие конструкции. Целевые функции: суммарные потери Ptotal, масса, цена, КПД на частичной нагрузке. Решатели — алгоритм дифференциальной эволюции (differential evolution) или многоцелевой генетический алгоритм NSGA-II для построения границы Парето; байесовская оптимизация — для случаев, когда каждое МКЭ-решение стоит дорого по времени. Открытый код: GeckoMAGNETICS (отделившийся проект ETH, академическая версия бесплатная). Главная статья: Papamanolis et al., IEEE Open Journal of Power Electronics, vol. 1, 2020, открытый доступ, обязательно к прочтению.
Опционально подключают модели машинного обучения. Если перебирать предстоит миллион вариантов конструкции, FEMM на каждом займёт месяцы. Здесь работает MagNet — открытая база данных Принстонского университета (Сулливан, Ван) с десятью миллионами измеренных осциллограмм на разных ферритах, плюс нейросеть, которая по форме B(t) предсказывает потери в сердечнике с ошибкой меньше 3 %. Время предсказания — миллисекунды. Конкурс MagNet Challenge 2024 выдал ещё несколько свободных моделей. Для потерь в обмотке аналогичные подходы развиваются медленнее, но Tang и соавторы из Калифорнийского университета в Дэвисе в 2024 году показали графовую нейросеть для литцендрата с ошибкой 8 % против полного МКЭ при той же скорости предсказания.
В оптимизации это работает как двухуровневый цикл. Внешний контур — генетический алгоритм или дифференциальная эволюция. Внутренний — нейросетевая модель вместо полного МКЭ-расчёта. Получается перебор 10⁵–10⁶ конструкций за часы вместо месяцев. Для тиражей в десятки тысяч штук в год это окупается за квартал.
Где базовая теория ломается
Формулы Доуэлла, Феррейры и Салливана из своих 1966–1999 годов никуда не делись и не устарели; они остаются лучшим способом понять физику обмоточных потерь. Что такое скин-эффект, почему proximity растёт как m2, где находится оптимум по диаметру жилы — без этой базы ни SFD, ни FEMM осмысленно не применишь. Изменилась область применения. Базовые формулы правильно работают на одной частоте, для строго плоскопараллельного поля, без зазоров, без учёта Cps — то есть на лабораторном стенде или на учебном примере. На реальном LLC с зазором, GaN-ключами и регулированием в широком диапазоне результат расходится с замером на 30–50%, и куда именно уйдёт ошибка, заранее не предскажешь.
В серийных проектах ручной расчёт в 2025 году делают, но как контрольную прикидку для цифр FEMM, а не как итог. Расхождение в три раза — ищите ошибку в модели. Расхождение на 20–30% — это и есть поправка на гармоники, зазор и краевые эффекты, которую базовая теория не учитывает.
Зарядка 3,3 кВт на SiC, 200 кГц — как это считается на практике
Чтобы это перестало быть абстракцией, разберём на примере типичного однофазного бортового зарядного устройства.
- Pout (выходная мощность)
- 3300 Вт
- Vin_DC (входное постоянное напряжение)
- 400 ± 10 В (после корректора коэффициента мощности — PFC)
- Vout (выходное напряжение)
- 250–450 В (литий-ионная батарея)
- fr (резонансная частота)
- 200 кГц
- fsw (рабочая частота)
- 130–280 кГц (диапазон 1:2,15)
- Ключи
- полевые транзисторы на карбиде кремния Wolfspeed C3M0021120K (Coss ≈ 80 пФ)
- Сердечник
- PQ 50/50, феррит Ferroxcube 3C95, два сердечника параллельно
- Выпрямитель
- синхронный полномостовой
- Цели
- КПД ≥ 96,5 % на номинале, ZVS до 12 % нагрузки, Tmax < 130 °C
Что даёт учебный расчёт. На fr = 200 кГц при 100 °C глубина скин-слоя δ = 0,196 мм. Оптимум Салливана для meff = 1 (слоёная компоновка P-S-P) даёт диаметр жилы ds ≈ 0,15 мм. Под действующий ток Irms ≈ 9 А и плотность 4 А/мм² нужно ≈ 2,3 мм² меди, ближайший каталожный шаг — 140×0,15 (2,5 мм²). Коэффициент роста сопротивления FR на 200 кГц считается равным 1,4. Складываем потери, выходит 4,2 Вт. Идём собирать.
После сборки получаем: на верхнем Vout = 450 В (режим повышения, fsw = 130 кГц) ничего не греется, всё штатно. На нижнем Vout = 250 В (режим понижения, fsw = 280 кГц) обмотка в области зазора 168 °C, лак на пределе. На 8 % нагрузки пропадает ZVS, на ключах звон, КПД падает с 96 до 92 %. Возвращаемся переделывать.
Что нужно было сделать сразу. Гоним симуляцию в PLECS в трёх угловых точках:
| Режим | fsw, кГц | I1, А | I3, А | I5, А | THD |
|---|---|---|---|---|---|
| понижение (buck-mode) | 280 | 7,8 | 1,2 (15 %) | 0,3 (4 %) | 16 % |
| резонанс | 200 | 8,4 | 0,2 (3 %) | ≈0 | 3 % |
| повышение (boost-mode) | 130 | 6,5 | 0,9 (14 %) | 0,2 (3 %) | 14 % |
Третьи гармоники на 840 кГц и 390 кГц значимы. Считаем сопротивление переменному току RAC на этих частотах: для жилы 0,15 мм на 840 кГц отношение ds/δ ≈ 1,6 — это уже промежуточный режим, FR под 3, локально в горячей зоне у зазора под 8. Получается, что 0,15 мм для верхней части диапазона уже толстовата, и оптимум сдвигается на серию 0,1 мм (315×0,1 на 2,5 мм²).
Дальше — FEMM. Рисуем сердечник PQ 50 с зазором 0,8 мм (центральный стержень разрезан пополам, распределённый зазор), задаём блоки обмоток как анизотропный материал по Микеру. Решаем на 200, 600, 1000 кГц. В двух миллиметрах от зазора видим напряжённость поля H = 38 кА/м против среднего 6 кА/м по обмотке. Локальный коэффициент роста сопротивления в этой зоне FR = 7,2.
Делаем SFD-интегрирование по объёму обмотки для осциллограмм тока из PLECS. Получаем потери в первичной обмотке для трёх режимов:
| Режим | По Доуэллу на fr | По FEMM+SFD | Расхождение |
|---|---|---|---|
| понижение (Vout 250 В) | 3,8 Вт | 5,9 Вт | +55 % |
| резонанс (Vout 350 В) | 4,2 Вт | 4,6 Вт | +10 % |
| повышение (Vout 450 В) | 2,5 Вт | 3,4 Вт | +36 % |
На резонансе базовая методика даёт точность 10 %, и это в пределах инженерного запаса. Но на границах диапазона регулирования (режимы повышения и понижения), где зарядка проводит большую часть времени реальной работы, ошибка достигает 36–55 %: расчётные 3,8 Вт превращаются в фактические 5,9, обмотка греется на 15–20 °C сильнее, лак у зазора деградирует. FEMM-цифры верифицированы термопарой на образцах.
Базовый расчёт промахивается в режиме понижения на 55 %. Это уже не «поправочный коэффициент», а пересмотр термоменеджмента.
Перебираем варианты в коротком цикле. Отступ между обмоткой и зазором тащим с 1,5 до 3 мм — это снимает локальный пик у зазора. Слоёвку P-S-P-S-P-S, если изначально планировали, меняем на P-S-P: пропадает проблема ZVS, Cps падает со 180 пФ до 50. Первичную меняем с 140×0,15 на 315×0,1 — то же сечение по меди, но FR на гармониках ниже. Вторичную меняем с литцендрата на медную фольгу 0,15 мм × 5 слоёв; она проще по геометрии, FR ниже, сопротивление постоянному току RDC вдвое меньше, а литцендрат для вторички в 21 А такого выигрыша всё равно не даёт.
После переделки: суммарные медные потери PCu_total = 7,8 Вт против 11 у первого варианта, ZVS работает до 11 % нагрузки, максимальная температура в окне Tmax = 118 °C при температуре окружающей среды Tamb = 85 °C. КПД 96,7 % — в техзадание попадаем. Цена этого — три-четыре дня работы инженера, лицензия PLECS (или бесплатный LTspice), FEMM (бесплатно), скрипт SFD на Python — полдня. На тираже 5000 зарядок в год окупается за полтора месяца.
Чем работают в индустрии
| Задача | Инструмент | Лицензия |
|---|---|---|
| Cхемная симуляция | LTspice / PLECS / SIMetrix | бесплатно / средне / средне |
| Двумерный МКЭ для обучения и небольших проектов | FEMM 4.2 | бесплатно |
| 2D/3D МКЭ для серии | ANSYS Maxwell / COMSOL | дорого |
| Совместная оптимизация сердечник + обмотка | GeckoMAGNETICS (проект ETH) | академическая лицензия бесплатна |
| Нейросетевая модель потерь в сердечнике | MagNet от Принстона | открытый исходник |
| Совместная симуляция МКЭ + цепь | PLECS PowerLib | коммерческая |
| SFD-интегрирование | Python + scipy + numpy | бесплатно |
Минимально достаточная связка для серьёзной работы по LLC до 5 кВт — LTspice, FEMM и Python. Полностью бесплатно, покрывает 90 % задач. Для серии с оптимизацией добавляются PLECS, GeckoMAGNETICS и ANSYS Maxwell, окупается на тиражах от 5000 шт./год.
Что мы делаем под LLC-проекты
Под LLC у нас идут четыре стандартные серии по диаметру жилы: 0,071 мм (40 конструкций), 0,1 мм, 0,15 мм и 0,2 мм — каждая от 0,5 до 20 мм² по меди. Подбор серии под рабочую частоту в первом приближении такой: 0,071 мм — для конвертеров выше 300 кГц (LLC на нитриде галлия, индукционные нагреватели); 0,1 мм — основная серия для LLC на 150–300 кГц; 0,15 мм — для 50–150 кГц и дросселей корректора коэффициента мощности (PFC); 0,2 мм — для 25–80 кГц и тяговых преобразователей. Шаг скрутки 10–40 мм, многопучковая транспозиция (тип 1, 2 или 3 в зависимости от частоты), допуск по коэффициенту роста сопротивления FR ±5 %. Прямоугольный профиль доступен поверх любой серии, когда нужно добавить 20 % заполнения окна (разобрано в статье про прямоугольный литцендрат). Композитная литцовая фольга идёт на высокие токи вторичек, транспонированные конструкции 3×5 и 5×5×5 — на частоты выше 300 кГц. Перед заказом спрашиваем диапазон рабочей частоты (не только номинал), топологию выпрямителя, геометрию сердечника и планируемую конфигурацию чередования обмоток. С этими данными перед поставкой прогоняем FEMM-модель и говорим, подходит ли провод. Это часть работы по заказу от 10 кг, а не отдельная услуга.
Готового каталога «литц для LLC 200 кГц» не существует и существовать не может. Один и тот же по конструкции провод (например, 50×AWG 36) в одном LLC даёт FR = 1,4, а в другом, с тем же номинальным режимом, уже 2,8. Разница берётся из геометрии окна, зазора и конфигурации обмотки. Подбирать провод имеет смысл под конкретный сердечник и конкретный режим, а не «вообще».
Нужен расчёт литца под ваш LLC-проект?
FEMM-модель обмотки с гомогенизированной моделью литца и подбор провода под конкретный сердечник, частоту и режим — это часть работы по заказу от 10 кг. Минимальная отправка для НИОКР — пробная партия 50 м.
Источники
- P. L. Dowell. Effects of eddy currents in transformer windings. Proceedings of the IEE, vol. 113, no. 8, pp. 1387–1394, August 1966.
- J. A. Ferreira. Improved Analytical Modeling of Conductive Losses in Magnetic Components. IEEE Trans. Power Electronics, vol. 9, no. 1, 1994.
- C. R. Sullivan. Optimal Choice for Number of Strands in a Litz-Wire Transformer Winding. IEEE Trans. Power Electronics, vol. 14, no. 2, 1999.
- C. R. Sullivan. Computationally Efficient Winding Loss Calculation with Multiple Windings, Arbitrary Waveforms, and Two- or Three-Dimensional Field Geometry. IEEE Trans. Power Electronics, vol. 16, no. 1, 2001 (метод квадрата производной поля, SFD).
- M. Tourkhani, P. Viarouge. Accurate Analytical Model of Winding Losses in Round Litz Wire Windings. IEEE Trans. Magnetics, vol. 37, no. 1, 2001.
- D. Meeker. An improved continuum skin and proximity effect model for hexagonally packed wires. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2012 (гомогенизированная модель литца для FEA).
- J. Mühlethaler. Modeling and Multi-Objective Optimization of Inductive Power Components. Кандидатская диссертация, ETH Zürich, 2012 (открытый PDF, лучшая монография по теме).
- J. Mühlethaler, J. W. Kolar et al. Improved core-loss calculation for magnetic components employed in power electronic systems (i²GSE). IEEE Trans. Power Electronics, vol. 27, no. 2, 2012.
- H. Rossmanith et al. (Würth Elektronik). Measurement and characterization of high frequency losses in nonideal litz wires. IEEE Trans. Power Electronics, vol. 26, no. 11, 2011 (экспериментальная характеризация реальных литцов).
- T. Guillod, J. W. Kolar. Closed-Form Solution of Litz Wire Losses for Arbitrary Current Waveforms. IEEE COMPEL 2017.
- X. Tang, C. R. Sullivan. Optimization of stranded-wire windings and comparison with litz wire. IEEE PESC 2018.
- P. Papamanolis, T. Guillod, F. Krismer, J. W. Kolar. Minimum Loss Operation and Optimal Design of High-Frequency Inductors for Defined Core and Litz Wire. IEEE Open Journal of Power Electronics, vol. 1, 2020 (открытый доступ, обязательно к прочтению).
- H. Li, D. Lee, M. Chen et al. (Princeton). MagNet: Toward an Open-Source Universal Machine Learning Model for Magnetic Core Loss. IEEE COMPEL 2022 и материалы MagNet Challenge 2023–2024.
- B. Tang et al. (UC Davis). Graph Neural Networks for Litz Wire Loss Prediction. IEEE COMPEL 2024.
- R. W. Erickson, D. Maksimović. Fundamentals of Power Electronics, 3-е изд., Springer, 2020 (глава 13).
- W. G. Hurley, W. H. Wölfle. Transformers and Inductors for Power Electronics: Theory, Design and Applications. Wiley, 2013.