摘 要：變壓器屬于各種電路中應(yīng)用較為普遍的設(shè)備之一，通過變壓器的使用可以將電路中電壓降低或者放大到所需要的電壓級(jí)數(shù)，滿足電路中其他設(shè)備使用。高頻交流隔離變壓器屬于常用變壓器的一種，其應(yīng)用較為廣泛，文章以PET變壓器（電力電子變壓器）為例，分析變壓器設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)及具體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：變壓器;高頻;交流;PET

PET變壓器主要為一種采用高頻開關(guān)與PET材料實(shí)現(xiàn)的電壓傳輸與變化裝置，與傳統(tǒng)的變壓器相比，PET材料具有重量輕、供電穩(wěn)定、體積小、控制靈活、成本低等特點(diǎn)，對(duì)于變壓器質(zhì)量提升與變壓器應(yīng)用推廣具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中PET變壓器主要為高壓輸入、低壓輸出，通過其變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和降壓的目的。

一、 變壓器設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

相關(guān)設(shè)計(jì)人員在PET變壓器設(shè)計(jì)上需要遵循以下幾個(gè)注意事項(xiàng)，以確保設(shè)計(jì)質(zhì)量：（1）線圈損耗情況。在PET變壓器設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要考慮在高頻下線圈的具體損耗情況，由于交流電阻增大幅度相對(duì)比較大，對(duì)于變壓器溫升與損耗的影響相對(duì)也比較大，故設(shè)計(jì)人員需要考量高頻背景下電阻增大情況，為線圈設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考數(shù)據(jù)。（2）工作電路考慮。高頻變壓器主要的運(yùn)行環(huán)境為放大電路，是構(gòu)成放大電路的重要組成部分，故設(shè)計(jì)人員在PET變壓器設(shè)計(jì)過程中，一定要充分考慮變壓器所在電路的具體情況，以保證變壓器可以充分與電路融合，保證變壓器各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性與有效性。在變壓器相關(guān)匝數(shù)比、負(fù)載阻抗等方面設(shè)計(jì)上，需要遵循相應(yīng)阻抗匹配原理，以確保變壓器負(fù)載阻抗與輸出功率符合其所在電路實(shí)際需要。（3）銅芯的選擇。PET變壓器的主要磁性材料包括氧體（軟磁鐵）材料、合金（超微晶）材料兩類，材料選擇不同，變壓器的性質(zhì)也有所不同，因此在設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)PET變壓器實(shí)際需要，適當(dāng)選擇所需要的銅芯材料，確保變壓器整體質(zhì)量。在銅芯材料選擇上，技術(shù)人員可以根據(jù)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、變壓器工作頻率、電氣參數(shù)等具體情況進(jìn)行選擇。例如，當(dāng)變壓器工作頻率在100kHz以內(nèi)，則可以選擇Mn—Zn氧體材料，當(dāng)變壓器工作頻率在1MHz時(shí)，則可以選擇Ni—Zn氧體材料。

二、 PET變壓器（電力電子變壓器）設(shè)計(jì)

（一）PET變壓器基本原理

根據(jù)電力電子變壓器的具體情況，選擇以推挽拓?fù)潆娐窞榛A(chǔ)，進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)。之所以設(shè)計(jì)人員選擇推挽拓?fù)潆娐返腜ET變壓器是因?yàn)榇朔N電路變壓器磁芯線相對(duì)利用率較高，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，相對(duì)PET變壓器設(shè)計(jì)難度較小。推挽型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在功放電路之中，通常其可以采用MOSFET管或BJT管，通常為MOSFET管（參數(shù)相同）或BJT管（參數(shù)相同）2個(gè)，主要用來實(shí)現(xiàn)負(fù)半周與正半周相應(yīng)放大波形任務(wù)。當(dāng)電路運(yùn)行過程中，2個(gè)管只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通效率高、損耗小。

設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)PET變壓器推挽拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)如下圖1，該P(yáng)ET變壓器輸出電流為220V，輸入電流為10V。從下圖可以看出T1為PET變壓器，用于隔離和降壓;BS1、BS2兩組雙向開關(guān)（高于1kHz頻率，50%占空比）是PET變壓器功率（前級(jí)）電路的主要構(gòu)成部分，其用為將電網(wǎng)（前級(jí)）側(cè)的工頻電壓（50Hz）斬波轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)應(yīng)的高頻電壓，并將轉(zhuǎn)化后的高頻電壓輸入到PET變壓器的前級(jí)線圈;電容C1和電感L1構(gòu)成濾波器（網(wǎng)測(cè)），主要作用為濾波;電容C2和電感L2組成濾波電路的后級(jí)設(shè)計(jì)，電路負(fù)載為RLC1;BS3—BS6（高于1kHz頻率，50%占空比）雙向開關(guān)構(gòu)成了單相矩陣—單相變換器，雙向開關(guān)成對(duì)組形式，其主要作用為將已經(jīng)經(jīng)過T1降低的交流電壓再一次還原成所需要的工頻交流電壓，為負(fù)載（后級(jí)）提供所需要的電力，其中BS4、BS5驅(qū)動(dòng)脈沖一致為一組，BS3、BS6雙向開關(guān)為一組兩者驅(qū)動(dòng)脈沖一致。

圖1 PET變壓器推挽拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)圖

PET變壓器推挽拓?fù)潆娐纷儔簩?shí)現(xiàn)的原理如下：前級(jí)變換器的AC-AC（交流—交流）與常見的電路不同，其交流電壓（工頻）轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓地實(shí)現(xiàn)，主要是通過雙向開關(guān)兩組與變壓器繞組抽頭（額外）實(shí)現(xiàn)的。由于兩組雙向開關(guān)的信號(hào)（控制）屬于矩形高頻脈沖信號(hào)，且還是相互互補(bǔ)導(dǎo)通的，因此設(shè)計(jì)了50%占空比的開關(guān)兩組。變壓器電壓變化情況與交流電壓所處半周有很大關(guān)系，當(dāng)處于負(fù)半周時(shí)，變壓器上端電壓高如果高，是因?yàn)殡娐分凶髠?cè)開關(guān)（雙向）導(dǎo)通，反之當(dāng)變壓器下端電壓高，是因?yàn)殡娐分杏覀?cè)開關(guān)（雙向）導(dǎo)通;如果交流電壓所處正半周時(shí)表現(xiàn)出來特點(diǎn)與負(fù)半周完全相反，變壓器上端電壓高如果高，是因?yàn)殡娐分杏覀?cè)開關(guān)（雙向）導(dǎo)通，反之當(dāng)變壓器下端電壓高，是因?yàn)殡娐分凶髠?cè)開關(guān)（雙向）導(dǎo)通。在電路結(jié)構(gòu)中，觸發(fā)脈沖頻率（所用）要高于工頻，以保證所有經(jīng)過AC-AC電路的輸出端交流電壓屬于高壓電流，實(shí)現(xiàn)高頻電壓變化，并將經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換的電壓輸入給T1初級(jí)線圈。

（二）PET變壓器仿真測(cè)試

設(shè)計(jì)人員利用Matlab/Simulink以圖1為依據(jù)，設(shè)計(jì)仿真電路，仿真過程中忽略開關(guān)損耗，輸入交流10kV電壓，0.25mH濾波電感，5μF電容，Pulse Generator模塊產(chǎn)生仿真電路中高頻交流電壓頻率的脈沖信號(hào)頻率為5kHz。仿真測(cè)試結(jié)果為輸入電壓波形與電流波形的相位基本一致，說明該交流推挽電路可以有效確保該電路質(zhì)量。

三、 結(jié)束語

高頻交流隔離變壓器設(shè)計(jì)需要注重一定的注意事項(xiàng)，且在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員要充分結(jié)合電路的具體情況，全面分析設(shè)計(jì)變壓器的具體運(yùn)行原理等，并做好其所處電路的仿真測(cè)試，全面確保變壓器設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：

卞冬冬，江蘇電老虎工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)股份有限公司。