PCB平面变压器的铁损基于CST低频工作室的仿真：理论计算与仿真的交融

前言

本文旨在展示PCB平面变压器铁损的仿真分析方法，并对仿真结果与理论计算值进行系统对比。平面变压器因其低高度、高功率密度等优势，在开关电源等高频应用中日益受到关注，而铁损的准确评估对变压器热设计和效率优化至关重要。通过建立有限元仿真模型，计算不同工作条件下的铁损分布与总量，并与经典铁损理论模型（如Steinmetz公式及其改进形式）的计算结果进行对比，验证仿真方法的有效性，同时分析两者差异的可能来源。本文为PCB平面变压器的工程设计与损耗预测提供参考依据。

铁损的理论计算

铁损除了磁滞损耗还包括涡流损耗，如规格书，此磁芯材料电阻率是4Ω·m,

所以电导率是

通过仿真，这个值很小只有几mW,不需要考虑。

CST的铁损仿真

激励源采用周期性方波信号

根据时域电路仿真，变压器原副边电流波形是方波信号，原边最大幅值5.05A，副边是10A左右

根据如下公式算出磁通密度平均值

I励磁是励磁电流，Np是原边线圈匝数，Le是磁路长度

理论计算出的磁通密度平均值是0.05T，下图是仿真的磁通密度平均值0.053T

本文我们要求出最大磁通密度，由于最大磁通密度跟磁环中柱和边柱横截面积也是有关系。

如上图，此磁芯中柱截面积是30.2平方毫米，两个边柱是21平方毫米，截面积越小，磁通密度越大，再加上边缘磁通，尖角集 合，局部饱和抬高，所以边柱的磁通密度至少是中柱的1.5倍。  

所以最大磁通密度Bm  

 

 

如图，仿真结果Bm=0.11T  

 

 

磁芯损耗密度的仿真结果如图：

经过后处理求出平均值

仿真出的磁芯损耗密度平均值是83W/kg，转化为kW/m3，上文图中提到此磁芯材料的密度是4900kg/m3。所以，可以计算出：

上文从图表中读取该磁芯在开关频率是300kHz，最大磁通密度Bm=0.1T，温度80摄氏度时，它的磁芯损耗密度是380kW/m³

磁滞损耗的仿真结果

最终的铁损总和0.252W。

本文总结

本文展现了CST低频工作室在铁损仿真领域展现出卓越的精度与可靠性。其核心优势在于深度还原材料物理特性：支持导入真实的B-H磁滞曲线，并融合Debye、Lorentz等高级色散模型，精准捕捉非线性磁化与高频损耗。基于有限元法的多求解器架构确保结果收敛，典型误差可控制在5%以内。为变压器提供了高置信度的设计依据，显著降低实测迭代成本，是低频电磁仿真的精度标杆。