中國(guó)振華（集團(tuán)）新云電子元器件有限責(zé)任公司（國(guó)營(yíng)第四三二六廠） 王廷東 李國(guó)強(qiáng)

1 高頻變壓器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 高頻變壓器發(fā)展現(xiàn)狀

1831 年，法拉第發(fā)現(xiàn)了一種電磁感應(yīng)，這是一種法拉第感應(yīng)線圈。目前的變壓器理論上來(lái)說(shuō)，這是一種只能進(jìn)行簡(jiǎn)易觀測(cè)的單芯法拉第線圈。英國(guó)科學(xué)家格羅夫在30多年的時(shí)間里，研制出了世界上首個(gè)用來(lái)制造交流變壓器的裝置。1880年，交流電力逐漸融入了日常的生活，變壓器設(shè)備也逐漸為人所熟悉，并由此構(gòu)思了將其應(yīng)用于交流電力。1885年，匈牙利岡茨工廠問(wèn)世了首個(gè)實(shí)際應(yīng)用的變壓器。并且隨著電力系統(tǒng)中的變壓器迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力輸送、電壓轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。

1.2 分布參數(shù)等效電路模型研究現(xiàn)狀

目前有關(guān)頻率變壓器分配參數(shù)的研究主要來(lái)自悉尼學(xué)院、華北電力學(xué)院等知名院校和科研機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的頻率變壓器分配參數(shù)測(cè)定法主要包括二端口網(wǎng)絡(luò)法、有限元法、等效電路法等。但是由于部分常用方法相似，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，需要使用大量的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，且驗(yàn)證程序煩瑣，難以應(yīng)用到實(shí)際工程中。例如，二端網(wǎng)路的測(cè)試技術(shù)使用了大量的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)運(yùn)算，使得過(guò)程比較煩瑣，不適用于實(shí)際工程中；有限單元法在抽取高頻電力變壓器的分布時(shí)，模擬中存在大量的相近問(wèn)題，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，但如果對(duì)于定性的分析并不需要太準(zhǔn)確的結(jié)論，這種方法具有很大的優(yōu)勢(shì)；等效電路的測(cè)試方法將高頻變壓器看作RLC 等效電路，從而忽視了其他因素的作用，造成了巨大偏差。

2 高頻變壓器理論分析

2.1 等效電路

三電容等效電路模型如圖1所示。

圖1 三電容等效電路模型

在電路理論上，為迅速獲得變壓器工作原理和特性，會(huì)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工處理，而忽視其漏電感值和分布電容。但在現(xiàn)實(shí)情況中，變壓器的工作頻率越高，變壓器的線圈就更容易出現(xiàn)明顯的高頻影響。為了更精確地反映電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必須構(gòu)建適當(dāng)?shù)牡戎稻€路模型。在變壓器中，一次線圈所生成的磁通可以完全地經(jīng)過(guò)副邊線，但是在實(shí)際情況中存在著一定的損耗和漏磁現(xiàn)象。分布電容是一種具有不同電壓差異并具有一定的隔離特性的導(dǎo)線的電容分配。變壓器繞組中有分布電容，特別是繞組匝間、層間和初級(jí)二次繞組間。其大小與線圈的外形、幾何、絕緣材質(zhì)有關(guān)。三容等值電路的建模方法與常規(guī)等值電路模型不同，考慮了一次繞組間分布電容，與其他模型比較，三電容量等值電路模式可以基本反映高頻變換的工作性能，并且具有更寬廣的頻段，可以達(dá)數(shù)十乃至數(shù)百上千赫茲。

2.2 磁芯損耗和繞組損耗

目前，高頻變壓器的功耗主要由磁芯損失和線圈損失兩大類(lèi)組成。磁芯損耗由磁芯內(nèi)部的交流磁力造成，其中包含磁滯損耗、渦電流損耗和殘余損耗。磁芯損失亦稱(chēng)鐵損，是一種不隨負(fù)載電流的強(qiáng)度或特性而變化的不變性損失。線圈損失是由于在電阻器中流動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生熱量作用，從而耗盡電力。線圈損失也稱(chēng)為銅損，其根據(jù)負(fù)荷的大小和線圈電阻的不同而變化。

2.3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

高頻變壓器的設(shè)計(jì)主要有兩種方法，一種是采用Pexprt、PI transformer 等軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，該方法具有很好的應(yīng)用前景。工作人員只要將相關(guān)的資料進(jìn)行輸入，經(jīng)過(guò)多種組合，就可以獲得最佳的方案，但該方法容易受到線圈材質(zhì)的限制；常用方法是采用面積乘積AP或kg因子法，由于AP法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，步驟清晰，故采用AP方法，即鐵芯窗面積Aw 與鐵芯有效截面Ae 之積，再由AP 值選取磁芯的大小。

變壓器流程如圖2所示。

圖2 變壓器流程

由于高頻變壓器需要長(zhǎng)時(shí)間工作在高頻環(huán)境中，因此需要選用合適的鐵芯。在選擇磁芯時(shí)，應(yīng)綜合考慮磁導(dǎo)率、損耗、效率和頻率區(qū)間最佳工作點(diǎn)。與常規(guī)磁性核心材料相比，鐵基納米晶體在較大溫度范圍內(nèi)的鐵損耗非常小。此外，為了能夠選擇較低頻率，材料需要具有高飽和磁性感生（1.2T)，從而減少功率晶體管裝置和電磁干擾過(guò)濾的費(fèi)用。

3 高頻變壓器分布參數(shù)的確定

3.1 高頻變壓器分布參數(shù)的計(jì)算

通常高頻變壓器的漏電感應(yīng)原理分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是根據(jù)漏電現(xiàn)象的泄漏電流的角度推導(dǎo)出漏電感應(yīng)的計(jì)算公式。另一種方法是從漏磁儲(chǔ)存的容量（漏磁能）入手，首先計(jì)算出電場(chǎng)的強(qiáng)度，然后通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)量的漏感。特別是由于是同軸圓柱形的變壓器線圈，其層間距比線圈高要小得多，因此可以將線圈看作是一個(gè)很大的螺旋形線圈。由于集中和相鄰作用的影響，使得線圈內(nèi)的電流量和電場(chǎng)的分布出現(xiàn)不均勻性[1]。

3.2 高頻變壓器分布參數(shù)的測(cè)量

高頻變壓器與常規(guī)的工頻變壓器相比，工作頻率為數(shù)十到數(shù)百千赫茲。當(dāng)頻率越來(lái)越大時(shí)，對(duì)變壓器的電壓分配參量的變化也不容忽視，其主要作用是漏電感和電容場(chǎng)[2]。因此，了解高頻電力系統(tǒng)中的變壓器的數(shù)學(xué)建模和功率分配是非常必要的。常規(guī)的兩端網(wǎng)測(cè)試技術(shù)都是采用二端網(wǎng)進(jìn)行，但具有所需設(shè)備多、操作簡(jiǎn)單、效率低、運(yùn)算量大的特點(diǎn)。因此許多研究采用的測(cè)試方法為高精度的儀器阻抗分析儀，通過(guò)對(duì)變壓器進(jìn)行頻譜的檢測(cè)和運(yùn)算，即可獲得各分量的分布。

阻抗分析儀（Agilent4924A）是一種能夠在較大的阻抗和頻率下對(duì)器件和線路進(jìn)行全面的檢測(cè)和分析的試驗(yàn)設(shè)備，其利用電橋均衡技術(shù)的基本理論，在試驗(yàn)的廣域（40～110MHz）中，其測(cè)得的阻抗準(zhǔn)確度可達(dá)0.08%。由于其優(yōu)良的Q/D 精確性，尤其適合于分析低損失的元器件，而更寬廣的信號(hào)級(jí)也能精確地評(píng)價(jià)設(shè)備的工作狀態(tài)。

在繞組電阻的測(cè)定中，為保證線圈的長(zhǎng)度精確，變壓器繞組時(shí)，應(yīng)沿著變壓器一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組之間的相同的線圈，從線圈開(kāi)始到結(jié)束分別做標(biāo)志，然后將兩根電線拆下，采用阻抗計(jì)選取R-L的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。這兩條電線的阻值是變壓器一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組的電阻。

4 高頻變壓器分布參數(shù)的影響分析和處理

4.1 分布參數(shù)影響

高頻變換是電力隔離、能量傳輸和電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。在工頻工況下，變壓器功率分配的參量可以被忽視，但變壓器工作頻段越長(zhǎng)，變壓器體積越小，效率越高，帶來(lái)的問(wèn)題就越多。比如，在高頻率下，功率分配的參量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，并直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的效率。

漏電對(duì)高頻變壓器的開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生了正面和負(fù)面的作用。一方面，因?yàn)榉讲ㄊ且粋€(gè)電壓脈沖，所以，在接通的一剎那，漏感的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致在較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，不會(huì)快速增加，從而減緩了電流的升高，有效地防止了開(kāi)關(guān)管的短路。因?yàn)楫?dāng)電流過(guò)高時(shí)，由于區(qū)域電流密度過(guò)大，將造成斷路器的破壞和燒壞。由于電流的存在和電流的分布，使電流發(fā)生瞬變，從而使次級(jí)端發(fā)生過(guò)壓，就是電壓峰值，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，電流就會(huì)增加。而在下降邊緣相位，就是從接通到關(guān)斷的一剎那，一次側(cè)和二次側(cè)回路都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓峰值，主要是兩個(gè)原因，一是因?yàn)樵谒查g切換，在很小的一段時(shí)間里，高頻變壓器的磁場(chǎng)發(fā)生了劇烈的變化，如果電流太大，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)載，超過(guò)了正常的電壓，會(huì)對(duì)整個(gè)電路的工作造成很大的影響。另一方面，在關(guān)掉開(kāi)關(guān)的一剎那，泄漏的電流會(huì)被快速地釋放到周?chē)木€路上，如果電流很低，就會(huì)導(dǎo)致電流的過(guò)載。漏感本質(zhì)上是一個(gè)電感器，其是一種非功存儲(chǔ)器件，其本身并不需要任何能量，但由于漏電流的出現(xiàn)，其會(huì)影響到系統(tǒng)的輸出電阻，從而影響到變壓器的輸出[3]。

4.2 分布參數(shù)的處理

通過(guò)對(duì)高頻變壓器的分布參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)由于功率分配的原因，使其工作時(shí)容易產(chǎn)生電流、電壓尖峰以及EMI，從而對(duì)電力線路產(chǎn)生嚴(yán)重的安全威脅。要克服或減少對(duì)變壓器的分布參數(shù)的影響，可以從鐵芯結(jié)構(gòu)、材料、線圈結(jié)構(gòu)等方面入手，但由于各種原因的制約，對(duì)高頻電壓的分布參數(shù)的計(jì)算效果不佳。

處理漏感的第一種處理方式是加一個(gè)RCD 鉗。電流感應(yīng)能由一個(gè)完美的變壓器與副邊相連，而漏感會(huì)由于非耦合而無(wú)法傳輸?shù)礁边?，若不加以控制，則會(huì)以寄生電容的方式將電能從電流中溢出，造成線路的電壓過(guò)高或振動(dòng)，從而導(dǎo)致線路的工作效率下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電磁干擾。為了有效地控制這種效應(yīng)，一般在一次側(cè)增加一個(gè)RCD鉗位器。在變

壓器的一次側(cè)加入RCD鉗位回路，以吸收漏感中的蓄能，但不會(huì)對(duì)主勵(lì)磁感應(yīng)的能量傳輸造成干擾，從而使系統(tǒng)的工作效能下降。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1 關(guān)閉時(shí)，漏感會(huì)經(jīng)由激磁電感、二極管及電阻器而釋放，并在此期間對(duì)電容器進(jìn)行充電器，當(dāng)電容器的電位被增加時(shí)，二極管被反相關(guān)掉，再由電阻器將電容器排出。在此工藝中，RC的乘積數(shù)值的設(shè)定是非常重要的：如果RC的RC值過(guò)低，那么電容器C上的電壓就會(huì)迅速地下降到副端的反相，在接通之前，電阻器R 就變成了負(fù)荷，損耗了變壓器的能量，從而使工作效率下降；C 獲得值太大，則使C 處的電壓逐漸升高，升高的持續(xù)較久，副邊反激過(guò)沖較低，使變壓器的電能無(wú)法向下側(cè)傳輸；當(dāng)RC尺寸適當(dāng)且開(kāi)路時(shí)，電容器上的電壓會(huì)被放出到靠近副端的反壓，當(dāng)?shù)诙€(gè)導(dǎo)通時(shí)，電容器中的能量恰好被放光。第二種方案是優(yōu)化變壓器繞組結(jié)構(gòu)。雖然不能徹底消除高頻變壓器的漏感，但是只要電路設(shè)計(jì)和對(duì)繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，就可以減少漏感，同時(shí)，設(shè)計(jì)和繞制的合理與否也會(huì)對(duì)漏感產(chǎn)生較大的影響[4]。具體注意事項(xiàng)，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，要充分考慮變壓器的鐵心和線圈的匝數(shù)，并盡可能地將線圈填滿鐵心窗。而且在纏繞過(guò)程中，繞組要盡可能地靠近鐵心，使其在空間上與磁路之間的距離更近，以獲得較好的耦合效果。一次繞組與二次繞組之間要盡可能地緊。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要地分析了漏感和分布電容對(duì)高頻變壓器的性能的影響，從理論上對(duì)其進(jìn)行了全面的分析，并提出了解決方案使高頻變壓器的應(yīng)用能夠更為廣泛。本文所提之方法仍有不足之處，且效能尚需改進(jìn)，未來(lái)需要繼續(xù)研究與改進(jìn)。