趙爭菡 汪友華 凌躍勝 潘如政 宋金玲 楊曉光

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130）

1 引言

基于電力電子技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者探索研究實現(xiàn)電能變換的新型智能變壓器——電力電子變壓器，又稱為固態(tài)變壓器[1,2]，它具有優(yōu)于傳統(tǒng)電力變壓器的控制性能[3,4]。在電力電子變壓器的大功率拓撲的實現(xiàn)中，其中的高頻變壓器本體是最基礎(chǔ)、也是最重要的電磁元件。隨著需求容量的不斷提高，變壓器體積不斷增大。提高工作頻率，可使變壓器體積減小，但是高頻效應(yīng)造成的繞組損耗也會隨之增大[5]。因此如何選擇繞制結(jié)構(gòu)并減少大容量高頻變壓器繞組損耗非常重要。

本文第二部分運用有限元分析方法[6,7]，建立了不同繞組的結(jié)構(gòu)模型，繪制了沿繞組繞制方向漏磁通密度的分布曲線。將繞組交流電阻、漏感以及損耗隨交叉換位的變化進行了詳細地計算，在此基礎(chǔ)上，可更深入綜合分析交叉換位形式[8,9]對高頻變壓器交流電阻和漏感的影響。由結(jié)果可知將分屬一二次側(cè)層或線匝交疊安排,可以減少變壓器繞組損耗和漏感，即交叉換位技術(shù)被廣泛運用到變壓器繞組的設(shè)計中以提高大容量高頻變壓器的效率。

結(jié)合有限元分析[10]結(jié)果和高頻變壓器的制作過程，針對10kW、20kHz 的E-E 形銅箔繞組變壓器，第三部分提出了在繞組制作時的技術(shù)方法和應(yīng)該考慮到的一些問題，從而可以使高頻變壓器漏感和損耗達到最低值。

第四部分對不同繞組結(jié)構(gòu)的高頻變壓器樣機，通過實驗測量，獲得大功率高頻變壓器性能參數(shù)隨繞組結(jié)構(gòu)變化而變化的一致性，為高頻變壓器的設(shè)計提供有效支持。

所設(shè)計開發(fā)的采用交叉換位繞組結(jié)構(gòu)的10kW高頻變壓器最高效率可達99%。

2 繞組結(jié)構(gòu)對高頻變壓器參數(shù)的影響

高頻變壓器不同于工頻變壓器，變壓器工作頻率的提高：一方面能降低變壓器的體積；另一方面其分布參數(shù)的影響很關(guān)鍵，能否很好地設(shè)計控制分布參數(shù)，關(guān)系到變壓器本身的功率輸出，影響其效率，也會對電源的工作狀態(tài)產(chǎn)生不良的影響。一個高功率的高頻變壓器的漏感是非常重要的參數(shù)。

漏感與繞組的磁場的能量有關(guān)，由下式給出：

式中，μ是繞組氣隙的磁導(dǎo)率；V是氣隙的體積；H是磁場強度；I是流過繞組的電流。

高頻變壓器繞組匝間良好的耦合，減小了空間體積，繞組的漏感會降低。

為了預(yù)測不同高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)對電阻和漏感等參數(shù)的影響，建立了不同繞組的模型，如圖1所示。模型包括無交叉式、三明治式和交叉換位式。在該仿真中所使用的磁心材料為美磁公司的OR49938EC 型鐵氧體。在20kHz 時，額定電壓比為600∶300，額定電流比為17:34，匝數(shù)比為2∶1。圖1中黑色代表一次繞組，白色代表二次繞組。

圖1 不同的繞組結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Models of different winding structures

圖2 為不同結(jié)構(gòu)的繞組沿繞制方向漏磁通密度的分布曲線。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的繞組沿繞制方向漏磁通密度的分布曲線Fig.2 Curves of leakage magnetic flux density distribution for different winding structures

在圖1 和圖2a 可見，在簡單結(jié)構(gòu)，即無交叉式的繞組中，漏磁磁通密度隨一次安匝數(shù)的增加而增加，在一二次側(cè)交界面達到最大，約為0.037T。因為二次側(cè)與一次側(cè)的安匝數(shù)相等但方向幾乎相反，所以從二次界面開始漏磁磁通密度不斷減少，在二次繞組邊緣減少到零。顯而易見這種結(jié)構(gòu)會引起很大的漏感，同時由于一二次繞組分開繞制使繞組的鄰近效應(yīng)增強，交流電阻增大，使變壓器銅損增加。所以在制作高頻變壓器時不能貪圖方便而采用這種簡單的繞組結(jié)構(gòu)。

在圖1 和圖2b 中，與普通繞組結(jié)構(gòu)相比，在三明治式結(jié)構(gòu)繞組中，漏磁磁通密度的最大值約為0.02T。這比無交叉式結(jié)構(gòu)的繞組漏磁磁通密度最大值減小了約一半，且在一次繞組的中心附近減少到零，因此三明治式繞組的漏感和鄰近效應(yīng)要小很多。由此可見，三明治式結(jié)構(gòu)會使變壓器的銅耗減小，可以提高變壓器的效率。

從圖1 和圖2c 可見，交叉換位式繞組的漏磁磁通密度最大值約為4.8mT。這比三明治式結(jié)構(gòu)的繞組漏磁磁通密度的1/4 還要小。與此相對應(yīng)，該繞組結(jié)構(gòu)的鄰近效應(yīng)和漏感也大大降低。事實上，由于鄰近效應(yīng)被消除，不同匝數(shù)的繞組電阻幾乎相同；另一方面，因為交叉換位的繞組每匝之間具有良好的耦合，因此在繞組中的銅損是平均分配的。交叉換位式繞組的變壓器，故障率降低，可靠性和效率得到了提高。因此，交叉換位式繞組的變壓器參數(shù)的性能優(yōu)于前兩種。

在20kHz 時，用有限元方法計算了不同繞組結(jié)構(gòu)的高頻變壓器各個參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 不同繞組結(jié)構(gòu)的高頻變壓器參數(shù)的計算值Tab.1 Simulated parameters of high-frequency transformers with different winding structures

因為繞組靠近并交錯：一方面由于鄰近效應(yīng)減小內(nèi)部磁場；另一方面可降低層間氣隙中的磁場儲能，達到使損耗及漏感減小的目的。交叉換位技術(shù)減少了高頻變壓器的漏感、繞組電阻、阻抗和渦流損耗。

3 大容量高頻變壓器繞組制作要求

考慮到高頻時的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在制作高頻變壓器時，繞組導(dǎo)線直徑一定要限制在兩倍趨膚深度以下，也可以采用多股細銅線并繞的方式來降低變壓器的渦流損耗或者采用薄銅箔作為導(dǎo)線。

高頻變壓器繞組的拓撲結(jié)構(gòu)對變壓器的最終性能及其可靠性有很大影響，為盡量使變壓器的漏感和交流電阻減小到一個合適的范圍，在繞制變壓器時務(wù)必要想辦法使一二次繞組緊密地耦合在一起。當(dāng)變壓器的電壓比較大時，二次分布電容折算到一次側(cè)要乘以匝比的平方從而變得很大，所以高頻高壓大功率變壓器要求其分布電容要小，這就要求在繞制變壓器時要特別注意。

制作交叉換位式繞組時，首先圍繞磁心纏繞變壓器一次繞組的第一匝，然后纏繞變壓器二次繞組的第一匝，就這樣，一匝一匝交叉著繞制，直至完成。通過這種繞制方法，可以降低高頻變壓器的漏感，提高效率。但是這種繞組結(jié)構(gòu)在非1∶1 電壓比的變壓器中較難實現(xiàn)，在工程實踐中可以采用折中的方法，使漏感在合適的范圍之內(nèi)同時也方便繞制。

4 樣機實驗

在有限元分析的基礎(chǔ)上，制作了銅箔式20kHz、10kW 變壓器樣機。磁心為美磁公司的OR49938EC型鐵氧體。該鐵氧體磁心幾何形狀和尺寸如圖3 所示，20kHz 下的磁心B-H曲線如圖4 所示。

圖3 OR49938EC 型鐵氧體磁心的幾何形狀和尺寸Fig.3 Geometry of selected OR49938EC ferrite core

圖4 20kHz 下OR49938EC 型鐵氧體磁心的B-H 曲線Fig.4 B-H curve of selected OR49938EC ferrite core

經(jīng)過計算和設(shè)計，樣機繞組采用厚度為0.2mm、寬度為26.5mm 的銅箔，絕緣采用厚度為75μm 的透明聚酯薄膜，一次繞組在內(nèi)側(cè)，二次繞組在外側(cè)。其他主要參數(shù)見表2。

表2 高頻變壓器樣機的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the prototypes

樣機實驗采用ZM2353LCR 分析儀進行。各個性能參數(shù)實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同繞組結(jié)構(gòu)的高頻變壓器參數(shù)的實驗值Tab.3 Experimental parameters of high-frequency transformers with different winding configurations

采用交叉式繞組比單純的三明治繞組形式具有一定的優(yōu)越性，它可以很好地降低漏感和電阻，也可以降低繞組的損耗，而增加了繞組間的分布電容。

通過樣機的實驗測量，可以看出高頻變壓器性能參數(shù)的大小與繞組結(jié)構(gòu)及繞組布局有很大關(guān)系。結(jié)合變壓器制作過程，總結(jié)如下：

（1）減小漏感可以由一二次繞組間的緊耦合來實現(xiàn)，也就是繞組結(jié)構(gòu)上采用很小的間距以及布局上采用交叉換位的方法即可減小漏感。

（2）繞組采用不同的繞制方法，其分布電容差異較大。采用交叉換位繞制方法，同一繞組層與層的實際間距增大了，所以繞組的分布電容相應(yīng)減小。

（3）繞組間分布電容除了與線圈層間距、層間絕緣材料以及繞線粗細有關(guān)外，與兩繞組正對的面積有很大關(guān)系。因而，采用不同的繞組布局時，繞組間電容會有很大不同。采用交叉換位繞制后，一二次繞組正對的面積變大，致使繞組間產(chǎn)生大的寄生電容。緊密繞組的低漏感和大寄生電容成了一對矛盾。制作時應(yīng)權(quán)衡考慮。

5 結(jié)論

通過有限元分析和樣機實驗，得到了如下結(jié)論：在高頻變壓器制作過程中，為了盡可能發(fā)揮交叉換位減少繞組損耗的作用，必須將具有不同電流流向的導(dǎo)體盡量安排得近一些，將具有相同電流流向的導(dǎo)體盡量安排得遠一些。即繞組采用交叉換位式可以減小變壓器漏感和損耗，提高可靠性和效率。

一臺采用交叉換位式繞組結(jié)構(gòu)的20kHz、10kW變壓器制作完成，測試其效率最高可達99%。

[1]凌晨,葛寶明,畢大強.配電網(wǎng)中的電力電子變壓器研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(2):34-39.Ling Chen,Ge Baoming,Bi Daqiang.A power electronic transformer applied to distribution system[J].Power System Protection and Control,2012,40(2):34-39.

[2]劉海波,毛承雄,陸繼明,等.電子電力變壓器儲能系統(tǒng)及其最優(yōu)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(3):54-60.Liu Haibo,Mao Chengxiong,Lu Jiming,et al.Energy storage system of electronic power transformer and its optimal control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(3):54-60.

[3]張明銳,劉金輝,金鑫.應(yīng)用于智能微網(wǎng)的SVPWM 固態(tài)變壓器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012,27(1):90-97.Zhang Mingrui,Liu Jinhui,Jin Xin.Research on the SVPWM solid state transformer applied in smart micro-grid[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(1):90-97.

[4]張明銳,陳潔,王之馨,等.一種新型的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(14):141-148.Zhang Mingrui,Chen Jie,Wang Zhixin,et al.A new permanent magnet synchronous wind-power generation grid-connected system[J].Power System Protection and Control,2013,41(14):141-148.

[5]Du S B Y,Wang G Y,Bhattacharya S.Design considerations of high voltage and high frequency transformer for solid state transformer application[C].Proceedings of IEEE 36th Annual Conference Industrial Electronics Society,2010:421-426.

[6]Abed N Y,Mohammed O A.Physics-based highfrequency transformer modeling by finite elements[J].IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(8):3249-3252.

[7]Susa D,Nordman H.A simple model for calculating transformer hot-spot temperature[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2009,24(3):1257-1265.

[8]Abdi B,Nasiri A A,Aslinezhad M H,et al.Winding considerations on the high frequency transformers[J].Energy Procedia,2011,12:656-661.

[9]Du Y,Baek S,Bhattacharya S,et al.High-voltage high-frequency transformer design for a 7.2kV to 120V/240V 20kVA solid state transformer[J].Proceedings of 36th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,2010,493-498.

[10]Dimitrakakis G S,Tatakis E C.High-frequency copper losses in magnetic components with layered windings[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(8):3187-3199.