譚智勇 郗亮 胡細(xì)保

（許繼變壓器有限公司）

研究高頻變壓器設(shè)計(jì)中需注意的相關(guān)問題

譚智勇 郗亮 胡細(xì)保

（許繼變壓器有限公司）

在現(xiàn)階段的社會生活中，電力系統(tǒng)起著不可替代的作用。而隨著社會發(fā)展要求的增加和對質(zhì)量嚴(yán)格性的提升，電力系統(tǒng)當(dāng)中的電力元件升級換代成為了電力系統(tǒng)質(zhì)量化發(fā)展的重要內(nèi)容。就目前的研究來看，高頻變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，對于電力運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性提升和利用效率的提高有著突出的意義，所以強(qiáng)化高頻變壓器的質(zhì)量現(xiàn)實(shí)意義顯著。而就高頻變壓器的質(zhì)量探討來看，決定其質(zhì)量的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)達(dá)到科學(xué)合理，高頻變壓器的質(zhì)量便有了很好的保證，而如果在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了問題，整個質(zhì)量提升都會受到影響?；诖?，為了實(shí)現(xiàn)高頻變壓器的質(zhì)量提升和利用價(jià)值提高，本文就高頻變壓器設(shè)計(jì)當(dāng)中需要注意的問題進(jìn)行具體的探討，旨在指導(dǎo)其設(shè)計(jì)的科學(xué)進(jìn)行。

高頻變壓器；設(shè)計(jì)；注意；相關(guān)問題

0 引言

高頻變壓器是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)運(yùn)行中利用到的重要電力設(shè)備，設(shè)備的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及材料的性能都會影響到其具體的應(yīng)用價(jià)值，所以出于高頻變壓器的利用價(jià)值考慮，需要對其進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究。目前，在高頻變壓器的設(shè)計(jì)中，存在著參數(shù)分析以及材料選擇等方面的問題，這些問題的存在嚴(yán)重阻礙了高頻變壓器自身質(zhì)量的提升，對于電力系統(tǒng)的完善和運(yùn)行效果提高也十分不利，所以全面性地討論高頻變壓器在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的相關(guān)問題十分重要。

1 設(shè)計(jì)高頻變壓器必須了解該變壓器的所在工作電路

就目前的研究分析來看，高頻變壓器的工作在放大電路中進(jìn)行，其屬于放大器的重要組成部分，所以在高頻變壓器的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，必須要將其和放大電路進(jìn)行有效的結(jié)合，這樣才能夠更加有效和準(zhǔn)確地確定相關(guān)的參數(shù)。舉個簡單的例子，在電源變壓器當(dāng)中，變壓器的次級參數(shù)如電流、電壓等是直接被規(guī)定的，但是在高頻的變壓器當(dāng)中，需要按照阻抗匹配的原理，根據(jù)負(fù)載阻抗進(jìn)行匝數(shù)比的確定，這樣才能夠計(jì)算出電流和電壓。除此之外，電流和電壓的計(jì)算就得依靠輸出功率和負(fù)載阻抗。

高頻變壓器的具體分析方法和音頻變壓器存在著一致性，都是利用等效電路來進(jìn)行分析的。高頻變壓器的等效電路和音頻變壓器具有相同性，唯一的不同點(diǎn)是其頻率得到了提升。而正是因?yàn)轭l率提高了，所以一些參數(shù)分布就必須考慮進(jìn)去，這樣在具體的計(jì)算中才能夠?qū)⑵溥M(jìn)行簡化。

2 采用插入損耗計(jì)算變壓器有關(guān)參數(shù)的方法

在進(jìn)行高頻變壓器設(shè)計(jì)的時(shí)候，參數(shù)是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，而要想獲得合理性較高的參數(shù)，必須要通過科學(xué)的計(jì)算，所以利用插入損耗計(jì)算的方式來進(jìn)行變壓器有關(guān)參數(shù)的確定十分有意義。

（1）中頻段插入損耗和初次級銅阻計(jì)算

在高頻變壓器的有關(guān)參數(shù)計(jì)算中，首先要進(jìn)行的工作就是中頻段的插入損耗和初次級銅阻計(jì)算。高頻變壓器的中頻段等效電路如圖1所示。

圖1 中頻段等效電路

所以整個中頻段的插入損耗b0可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，b0為中頻段的插入損耗；R1為信號源的內(nèi)阻；R2為換算到初級的次級負(fù)載電阻；r1為初級銅阻，r2為換算到初級的次級銅阻。將具體的數(shù)值進(jìn)行代入，這樣中頻段的插入損耗以及銅阻值都可以得到確定。

（2）低頻段插入損耗計(jì)算

在高頻變壓器的有關(guān)參數(shù)計(jì)算中，低頻段的插入損耗計(jì)算也是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。就具體的分析來看，低頻段的等效電路如圖2所示。

圖2 低頻段等效電路

所以整個低頻段的插入損耗bl可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Rs為初、次級回路的并聯(lián)電阻；L1為初級的電感；fL為最低的工作頻率。將公式進(jìn)行化簡，然后帶入具體的數(shù)值，就可以計(jì)算出低頻插入損耗值，進(jìn)而確定變壓器初級電感量。

（3）高頻段插入損耗計(jì)算

在高頻變壓器器的有關(guān)參數(shù)計(jì)算中，高頻段插入損耗計(jì)算也是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，此計(jì)算對于變壓器設(shè)計(jì)來講意義重大。就目前的分析來看，高頻段等效電路如圖3所示。

圖3 高頻段等效電路

由此可以利用公式進(jìn)行高頻段的插入損耗bH的計(jì)算，其具體公式為：

式中，Ls為變壓器的漏感；fH為最高的工作頻率。根據(jù)變壓器的具體效率情況進(jìn)行具體的數(shù)值帶入，最終可以得到高頻變壓器的漏感L。而這個漏感就是在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)注意的一個參數(shù)。

3 高頻變壓器的銅心選擇

就目前的具體分析來看，高頻變壓器的磁性材料主要有非晶、超微晶合金材料和軟磁鐵氧體材料。這兩類材料的具體特性存在著差別，所以在具體的利用方面也表現(xiàn)出了較大的不同。對變壓器當(dāng)中的各類元件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同位置的元件其基本特性存在著明顯的不同，所以要求的材料性能也不同，為此，要想找到合適的材料，必須細(xì)致地分析各個部件的具體要求。

（1）根據(jù)工作頻率選擇磁心材料

在變壓器的具體工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，高頻變壓器雖然同為高頻，但是其具體的頻率還是存在著明顯的差別，所以在進(jìn)行磁心材料選擇的時(shí)候，需要根據(jù)工作頻率進(jìn)行確定。簡而言之就是高頻變壓器的工作頻率范圍比較大，需要根據(jù)其具體的工作頻率范圍進(jìn)行鐵氧體磁心材料的選擇，這樣，磁心材料的匹配性效果會達(dá)到最佳。比如，在100kHz這個工作頻率的范圍內(nèi)，要進(jìn)行磁心的選擇，最合適的材料是Mn-Zn鐵氧體材料。而如果變壓器的工作頻率在1MHz以上，那么匹配性最好的材料則是Ni-Zn鐵氧體材料。

（2）根據(jù)變壓器的種類選擇鐵氧體磁心的品種

從目前的實(shí)踐調(diào)查研究來看，高頻變壓器的種類多樣，用途也十分豐富，而種類和用途的不同會明顯地影響到鐵氧體材料的選用品種，所以在進(jìn)行具體的變壓器鐵氧體磁心品種選擇時(shí)，需要對變壓器的種類以及用途有一個全面細(xì)致的了解。如：高頻功率的變壓器在鐵氧體材料選擇的時(shí)候，需要保證其具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，而且材料的損耗也要比較低，所以在材料選擇的時(shí)候，可以選擇國產(chǎn)的R2KD、JP3，也可以選擇進(jìn)口的PC40、PC44等。

（3）根據(jù)變壓器的電氣參數(shù)選擇適當(dāng)形狀的鐵心

從目前的變壓器具體參數(shù)分析來看，不同形狀的鐵氧體磁心在制成變壓器之后，其電氣參數(shù)會表現(xiàn)出明顯的差異，所以為了能夠獲取良好的電氣參數(shù)，必須要根據(jù)所需要的電氣參數(shù)來進(jìn)行合適形狀的磁心選擇。就是在充分了解各種形狀磁心的參數(shù)優(yōu)劣之后，為了保證電氣參數(shù)而將磁心制成參數(shù)最優(yōu)的形狀，這樣變壓器的電氣參數(shù)要求就能得到有效的滿足。比如，變壓器如果要追求較高的品質(zhì)因數(shù)和較小的漏感，那么可以選用罐形的磁心或者是PQ型的磁心。而如果變壓器要求損耗比較小，同時(shí)溫升又比較低，這時(shí)候就可以選用ETD型的磁心。根據(jù)變壓器參數(shù)進(jìn)行磁心形狀確定可以保證參數(shù)運(yùn)行效果的優(yōu)化。

（4）功率變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)允許損耗來確定

在實(shí)際利用的過程中發(fā)現(xiàn)，高頻功率變壓器的溫升存在著一定的限制，在一般的情況下，為了達(dá)到使用效率的最優(yōu)，變壓器的銅損需要保持和磁心損耗的一致。完成了這樣的目標(biāo)，在一定溫升的情況之下，高頻變壓器的磁心損耗便可以得到確定，而其磁感應(yīng)強(qiáng)度則由允許的磁心損耗。在這樣的工作頻率下，由磁心的損耗曲線可以查得功率變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。功率變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁心損耗有著一定的關(guān)聯(lián)性，所以從允許的磁心損耗中可以明確獲得功率變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

4 注意線圈在高頻下的損耗

在高頻變壓器的具體利用中，因?yàn)榇嬖谥吥w效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，所以高頻變壓器線圈的交流電阻比直流電阻要增大好多，因?yàn)榻涣麟娮栌兴黾?，所以其對變壓器的損耗和升溫會產(chǎn)生一定的影響，因此需要盡可能地將趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響進(jìn)行減小，并在高頻下計(jì)算交流電阻。

就目前的研究來看，所謂的趨膚效應(yīng)主要指的是電流在高頻環(huán)境下流過導(dǎo)線的時(shí)候，由于渦流作用的存在，電流趨向于導(dǎo)線表面流動的一種物理現(xiàn)象。從具體的影響來看，趨膚效應(yīng)減小了導(dǎo)線的截面積，從而增加了電阻，并進(jìn)一步地加大了導(dǎo)線的損耗。在實(shí)際利用中，要進(jìn)行趨膚效應(yīng)的減小，采取的有利措施是利用直徑小于趨膚深度2倍的導(dǎo)線，并且在電流較大時(shí)采用雙線、多根絞線或者是銅箔。

鄰近效應(yīng)指的是在多層線圈房中，因?yàn)殡娏魍ㄟ^相鄰的兩層導(dǎo)線時(shí)所產(chǎn)生的磁場相互作用，使得電流在兩層導(dǎo)線接近的一邊進(jìn)行流動。鄰近效應(yīng)的出現(xiàn)進(jìn)一步減小了導(dǎo)線截面積，使得有效電阻增大。從實(shí)際影響來看，其嚴(yán)重性比趨膚效應(yīng)更強(qiáng)。為了減少鄰近效應(yīng)的影響，需要進(jìn)一步地減小導(dǎo)線的直徑，并減少繞組的層數(shù)。與此同時(shí)，還能夠利用初、次級交叉繞制來減少相鄰磁場所產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)影響。

5 結(jié)束語

高頻變壓器在我國目前的電力系統(tǒng)當(dāng)中有著非常重要的應(yīng)用，積極地進(jìn)行高頻變壓器的分析，從而保證其設(shè)計(jì)質(zhì)量可以進(jìn)一步地提高高頻變壓器的應(yīng)用性能。就目前的研究來看，高頻變壓器在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮四個方面的問題，一是高頻變壓器和所在電路的適應(yīng)性，二是高頻變壓器的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，三是高頻變壓器的銅心選擇，四是線圈在高頻環(huán)境下的損耗。積極地分析這四個方面應(yīng)該要注意到的問題，可以全面性地提升高頻變壓器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

[1]石治國,陳向鋒,徐曄.高頻變壓器在PEMFC變換系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(16):200-202.

[2]吳海波.光伏發(fā)電系統(tǒng)中高頻變壓器的設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué),2012.

[3]王朝輝.開關(guān)電源結(jié)構(gòu)及高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].長沙：湖南科技大學(xué),2014.

[4]張世平.三電容分布參數(shù)高頻脈沖變壓器模型分析及參數(shù)測量[D].廣州：華南理工大學(xué),2012.

[5]張佩.開關(guān)電源中高頻變壓器電磁兼容預(yù)測研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2012.

[6]郭華旺,李曉青,王飛飛.單端反激式開關(guān)電源中高頻變壓器的建模與仿真測試研究[J].電源世界,2011(10):27-29.

[7]趙爭菡.電力電子變壓器中高頻變壓器磁心和繞組特性的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2014.

[8]張娟娟.雙向隔離DC-DC變換器中高頻變壓器的特性研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué),2014.

2017-06-23）