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:

P3P1 = ( I3I1 )2 · RAC(3f)RAC(f) ≈ 0,152 · 5,5 ≈ 0,12
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.

Рис. 1 · Спектр тока первичной обмотки LLC в трёх режимах работы
повышение · fsw 130 кГц · Vout 450 В
I1 (основная) 6,5 А
I3 (3-я) 14 %
I5 (5-я) 3 %
резонанс · fsw 200 кГц · Vout 350 В
I1 (основная) 8,4 А
I3 (3-я) 3 %
I5 (5-я) ≈ 0
понижение · fsw 280 кГц · Vout 250 В
I1 (основная) 7,8 А
I3 (3-я) 15 %
I5 (5-я) 4 %
Первая гармоника (fsw) Третья гармоника (3·fsw) Пятая гармоника (5·fsw)

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.

Рис. 2 · Поле рассеяния у воздушного зазора в окне обмотки
зазор P S P 1 мм: FR × 5–10 3 мм: FR × 2–3 5 мм: × 1,3–1,5 10 мм: × 1,05 внешний стержень центральный стержень

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 · td ≥ 2 · Vin · Ctotal
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.

Рис. 3 · Граница ZVS по нагрузке для трёх конфигураций обмотки
Минимальная нагрузка, при которой держится ZVS
P-S-P 8 %
P-S-P-S 22 %
P-S-P-S-P-S 38 %
Cps ≈ 50 пФ — оптимум для SiC/GaN Cps ≈ 120 пФ — компромисс Cps ≈ 220 пФ — ломает ZVS на лёгкой нагрузке

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.

Рис. 5 · Шесть шагов расчёта литца для LLC
Шаг 1
Схемная симуляция
LTspice, PLECS
→ i(t) в 4 точках
Шаг 2
Спектральный анализ
БПФ или i(t) целиком
→ Ik, k = 1, 3, 5…
Шаг 3
2D-модель окна
FEMM 4.2 / ANSYS Maxwell, гомогенизация по Микеру
→ B(x, y, t)
Шаг 4
SFD-интегрирование
Python + scipy
→ Pprox для всей обмотки
Шаг 5
Совместная оптимизация
GeckoMAGNETICS, NSGA-II, дифференциальная эволюция
→ граница Парето
Шаг 6
Нейросетевая модель
MagNet, графовые нейросети Tang et al. 2024
→ ×1000 ускорение

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 = n · ℓ · σCu · π · ds4 64 · ⟨ ( dBextdt )2 ⟩T
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.

Исходные данные ТЗ
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)2807,81,2 (15 %)0,3 (4 %)16 %
резонанс2008,40,2 (3 %)≈03 %
повышение (boost-mode)1306,50,9 (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 Вт5,9 Вт+55 %
резонанс (Vout 350 В)4,2 Вт4,6 Вт+10 %
повышение (Vout 450 В)2,5 Вт3,4 Вт+36 %
Рис. 4 · Расхождение базового расчёта и FEMM+SFD на трёх режимах зарядки
понижение · 280 кГц · Vout 250 В
Доуэлл на fr 3,8 Вт
FEMM + SFD 5,9 Вт
Промах +55%
резонанс · 200 кГц · Vout 350 В
Доуэлл на fr 4,2 Вт
FEMM + SFD 4,6 Вт
Промах +10%
повышение · 130 кГц · Vout 450 В
Доуэлл на fr 2,5 Вт
FEMM + SFD 3,4 Вт
Промах +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 симуляцияLTspice / PLECS / SIMetrixбесплатно / средне / средне
Двумерный МКЭ для обучения и небольших проектовFEMM 4.2бесплатно
2D/3D МКЭ для серииANSYS Maxwell / COMSOLдорого
Совместная оптимизация сердечник + обмоткаGeckoMAGNETICS (проект ETH)академическая лицензия бесплатна
Нейросетевая модель потерь в сердечникеMagNet от Принстонаоткрытый исходник
Совместная симуляция МКЭ + цепьPLECS PowerLibкоммерческая
SFD-интегрированиеPython + scipy + numpyбесплатно

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

  1. P. L. Dowell. Effects of eddy currents in transformer windings. Proceedings of the IEE, vol. 113, no. 8, pp. 1387–1394, August 1966.
  2. J. A. Ferreira. Improved Analytical Modeling of Conductive Losses in Magnetic Components. IEEE Trans. Power Electronics, vol. 9, no. 1, 1994.
  3. C. R. Sullivan. Optimal Choice for Number of Strands in a Litz-Wire Transformer Winding. IEEE Trans. Power Electronics, vol. 14, no. 2, 1999.
  4. 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).
  5. M. Tourkhani, P. Viarouge. Accurate Analytical Model of Winding Losses in Round Litz Wire Windings. IEEE Trans. Magnetics, vol. 37, no. 1, 2001.
  6. 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).
  7. J. Mühlethaler. Modeling and Multi-Objective Optimization of Inductive Power Components. Кандидатская диссертация, ETH Zürich, 2012 (открытый PDF, лучшая монография по теме).
  8. 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.
  9. 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).
  10. T. Guillod, J. W. Kolar. Closed-Form Solution of Litz Wire Losses for Arbitrary Current Waveforms. IEEE COMPEL 2017.
  11. X. Tang, C. R. Sullivan. Optimization of stranded-wire windings and comparison with litz wire. IEEE PESC 2018.
  12. 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).
  13. 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.
  14. B. Tang et al. (UC Davis). Graph Neural Networks for Litz Wire Loss Prediction. IEEE COMPEL 2024.
  15. R. W. Erickson, D. Maksimović. Fundamentals of Power Electronics, 3-е изд., Springer, 2020 (глава 13).
  16. W. G. Hurley, W. H. Wölfle. Transformers and Inductors for Power Electronics: Theory, Design and Applications. Wiley, 2013.
← Все статьи Скин-эффект и эффект близости Выбор марки литцендрата Прямоугольный литцендрат Литцендрат в электродвигателях Калькулятор