吳海波，孟 明，樊長(zhǎng)在

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003;2.天威集團(tuán)電力電子研究所，河北保定 071000)

正激式高頻變壓器層內(nèi)繞組布置分析

吳海波1，孟 明1，樊長(zhǎng)在2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003;2.天威集團(tuán)電力電子研究所，河北保定 071000)

針對(duì)工業(yè)對(duì)高頻變壓器性能的高要求，分析了正激式高頻變壓器工作原理及工作效率，提出了在同一層上的繞組可采用合理的布局實(shí)現(xiàn)降低變壓器漏感和渦流損耗的觀點(diǎn)，并據(jù)此搭建了新的變壓器模型。通過(guò)Ansoft有限元仿真軟件對(duì)搭建新模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，其結(jié)果驗(yàn)證了該模型的可行性。

高頻變壓器;渦流損耗;漏感

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的不斷消耗，太陽(yáng)能越來(lái)越受到人們的重視，其中以光伏發(fā)電為代表的新型能源最被看好。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是主要器件，高頻變壓器則是核心器件。高頻變壓器性能的優(yōu)劣直接決定了光伏系統(tǒng)效率。目前以適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展模式的微型逆變器應(yīng)運(yùn)而生，其特點(diǎn)是體積小，效率高，系統(tǒng)的可靠性好［1］。高頻變壓器的設(shè)計(jì)主要是磁路合理，繞組分布要以盡量減小渦流損耗和漏感為目的?，F(xiàn)在大多數(shù)繞組均采用層間交叉繞制，這樣可以減小層間磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低漏感。然而層內(nèi)大多數(shù)采用的是多股導(dǎo)線分流并繞，但在高頻情況下，并聯(lián)的繞組電流并不能均分，有的還會(huì)使得交流電阻增大造成很大的渦流損耗［2］。針對(duì)這一情況，本文對(duì)正激式高頻變壓器層內(nèi)繞組并聯(lián)情況進(jìn)行分析，以求找到減小交流電阻降低渦流損耗的繞組布置方法。

1 正激式高頻變壓器原理分析

正激變換器是最簡(jiǎn)單的隔離式DC/DC變換器，其輸出端的LC濾波器非常適合輸出大電流，可以有效抑制輸出電壓紋波。所以，在所有的隔離DC/DC變換器中，正激變換器成為低電壓大電流功率變換器的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，正激變換器必須進(jìn)行磁復(fù)位，以確保勵(lì)磁磁通在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)處于初始值。正激變換器的復(fù)位方式很多，包括第三繞組復(fù)位、RCD復(fù)位、有源箝位復(fù)位以及諧振復(fù)位［3，4］等，本文設(shè)計(jì)的高頻變壓器采用有源箝位復(fù)位，省去了常用的第三復(fù)位繞組。常用來(lái)升壓的正激式高頻變壓器往往原邊電流比較大，副邊電流小，因此變壓器原邊繞組大多數(shù)采用多股導(dǎo)線并繞，其模型如圖1所示。圖1中淺色代表原邊繞組且三匝并繞，深色代表副邊繞組，單根繞制。通常采用并聯(lián)繞組的方式來(lái)分流，以此來(lái)減小導(dǎo)線橫截面積，降低由于集膚效應(yīng)引起的損耗;而且導(dǎo)線中電流減小還會(huì)降低窗口內(nèi)的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖2所示。

變壓器的漏感是指變壓器原副邊繞組之間不完全耦合所變現(xiàn)出來(lái)的寄生效應(yīng)。漏感會(huì)在開關(guān)管開通或關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，影響輸出的電能質(zhì)量，甚至給開關(guān)管造成損壞。其大小可以通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)存在繞組間的漏磁場(chǎng)能量來(lái)確定［5］。將這些漏磁能量等效存儲(chǔ)在一個(gè)集中表示的漏感中，其漏感的計(jì)算式為

式中:P代表漏磁能量;H表示原副邊繞組之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度;Iin表示繞組流過(guò)的電流;V表示繞組體積;μ表示磁導(dǎo)率。由式(1)可以看出，當(dāng)繞組通過(guò)電流的大小被確定后，影響漏感大小的因素只有繞組層間的磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此要想降低漏感，減小高頻變壓器損耗，只能是改變繞組布局來(lái)降低層間的磁場(chǎng)強(qiáng)度H。

2 高頻變壓器繞組布置分析

變壓器層間大多數(shù)采用交叉布置，即PSPS形式將繞組布置在磁芯窗口中。為了降低繞組層間最大磁場(chǎng)強(qiáng)度，原副邊繞組流過(guò)的電流應(yīng)盡量大小相等、方向相反。這樣得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)像圖2中的一樣。本文以150 W、頻率為172 kHz、原邊流過(guò)1.2 A電流、副邊流過(guò)0.4 A電流的高頻變壓器為例，對(duì)原邊繞組布置進(jìn)行分析，并通過(guò)有限元軟件 Ansoft進(jìn)行仿真［6］。

2.1 傳統(tǒng)變壓器模型

初級(jí)繞組三匝并聯(lián)繞在同一層上的變壓器模型，如圖1所示。通過(guò)有限元軟件仿真得到原副邊的電流的分布情況如圖3所示。從圖3中可以看出，并聯(lián)繞組電流分布在高頻情況下并不均勻，最大值與最小值相差達(dá)3倍，造成較大損耗，繞組總的渦流損耗為835.48 mW。繞組層間的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H=900 Wb。仿真結(jié)果如圖4所示。

簡(jiǎn)單的將三匝繞組并聯(lián)繞制雖然能降低磁場(chǎng)強(qiáng)度，減小漏感，但電流分布不均勻，同時(shí)會(huì)增加繞組的交流阻抗，增大渦流損耗。

2.2 新的變壓器模型

變壓器原邊繞組并聯(lián)的3根導(dǎo)線分開布置，2根布置在1層上，另1根布置在另1層上;另1個(gè)模型是3根導(dǎo)線分別布置在3個(gè)層上，分別如圖5 a和圖5 b所示。為了避免導(dǎo)體邊緣效應(yīng)的影響，繞組布置時(shí)要兩端對(duì)齊，同一層上的繞組繞制時(shí)要有一定的間隔。分別對(duì)二者進(jìn)行電磁仿真，則流過(guò)原副邊繞組電流的分布情況分別如圖6中a和b所示。從圖6可以看出，原邊繞組電流分布比常規(guī)模型中的均勻，圖6 a中電流密度分布是最均勻的。另外除集膚效應(yīng)影響外，臨近效應(yīng)也不能忽略。為了增加可比性，使3個(gè)模型的繞組數(shù)目一樣多，以便進(jìn)行渦流損耗比較。二新模型的渦流損耗分別為807.48 mW和811.41 mW，均低于常規(guī)模型。層間的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，層間最大磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為600 Wb和580 Wb，幾乎要比常規(guī)模型小300 Wb左右，而且兩者能有效地減小繞組層間磁場(chǎng)強(qiáng)度。新的變壓器模型在各項(xiàng)性能上均優(yōu)于傳統(tǒng)模型，其各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 變壓器各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

高頻變壓器溫度指標(biāo)很重要，溫度設(shè)計(jì)不合理就會(huì)帶來(lái)額外的損耗，溫升過(guò)大還會(huì)影響變壓器使用壽命以及對(duì)周圍器件造成影響。因此可通過(guò)觀察各層繞組電流密度大小便可間接地得到變壓器的溫升情況。圖5中a和b變壓器模型的磁力線及繞組電流密度分布如圖8中a和b所示。

圖7 層間磁場(chǎng)強(qiáng)度

圖8 磁力線及繞組電流密度分布

顯然，圖8 b中的繞組電流密度很大，發(fā)熱較嚴(yán)重，因此產(chǎn)生的溫升要高于圖8 a中的溫升值。通過(guò)以上比較可以對(duì)新模型進(jìn)行篩選和認(rèn)定，合格的新模型具有損耗小、漏感小、溫升低、電流分布均勻等特點(diǎn)。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析可知，改變高頻變壓器繞組布置形式，獲得的新變壓器繞組模型，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)變壓器模型。Ansoft仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了新變壓器繞組模型在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

［1］毛行奎，陳為.高頻開關(guān)電源功率變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.電氣應(yīng)用，2005 ，24(2):77－79.

［2］曠建軍，阮新波，任小永.平面變壓器中并聯(lián)繞組的均流設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(14):146－150.

［3］Qiong Li，Lee FC and Jovanovic MM.Design considerations of transformer DC bias of forward converter with active clam preset［C］.Applied Power Electronics Conferenceand Exposition，1999.APEC＇99.FourteenthAnnual，Volume:1，1999，Page(s):553 －559，vol.1.

［4］CobosJA，GarciaO，SebastionJ and UcedaJ.Resonant reset forward topologies for low output voltage on board converters［C］.Applied Power Electronics Conferenceand Exposition， 1994.APEC＇94.Conference Proceedings 1994，NinthAnnual，1994，Page(s):703 －708，vol.2.

［5］劉國(guó)強(qiáng)，趙凌志，蔣繼婭.Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［6］曠建軍，阮新波，任小永.集膚和鄰近效應(yīng)對(duì)平面磁性元件繞組損耗影響的分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(5):170－175.

Analysis of internal winding arrangement for forward mode high－frequency transformer

WU Haibo1，Meng Ming1，F(xiàn)AN Changzai2
(1.School of Electrical and Electric Engineering，NCEPU，Baoding 071003，China;2.Power Electronic Research Institute of Tianwei Group，Baoding 071003，China)

Aiming at the high demand of industrial high－frequency transformer performance，this paper analysis forward high－frequency transformer working principle and efficiency，the reasonable layout of the windings on the same floor can be achieved to reduce the view of the transformer leakage inductance and eddy current losses，and accordingly set up a new transformer model.The feasibility is verified by simulation of the build a new model through Ansoft finite element simulation software.

high－frequency transformer;eddy current loss;leakage inductance

TM406

A

1002－1663(2012)02－0107－03

2011－10－24

吳海波(1987－)，男，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

(責(zé)任編輯 郭金光)