正激式高頻變壓器層內繞組布置分析

吳海波，孟 明，樊長在

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

正激式高頻變壓器層內繞組布置分析

吳海波1，孟 明1，樊長在2

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

針對工業(yè)對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現(xiàn)降低變壓器漏感和渦流損耗的觀點，并據(jù)此搭建了新的變壓器模型。通過Ansoft有限元仿真軟件對搭建新模型進行仿真試驗，其結果驗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，太陽能越來越受到人們的重視，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。目前以適應現(xiàn)代化發(fā)展模式的微型逆變器應運而生，其特點是體積小，效率高，系統(tǒng)的可靠性好［1］。高頻變壓器的設計主要是磁路合理，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強度，降低漏感。然而層內大多數(shù)采用的是多股導線分流并繞，但在高頻情況下，并聯(lián)的繞組電流并不能均分，有的還會使得交流電阻增大造成很大的渦流損耗［2］。針對這一情況，本文對正激式高頻變壓器層內繞組并聯(lián)情況進行分析，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撲結構。然而，正激變換器必須進行磁復位，以確保勵磁磁通在每個開關周期開始時處于初始值。正激變換器的復位方式很多，包括第三繞組復位、RCD復位、有源箝位復位以及諧振復位［3，4］等，本文設計的高頻變壓器采用有源箝位復位，省去了常用的第三復位繞組。常用來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)繞組的方式來分流，以此來減小導線橫截面積，降低由于集膚效應引起的損耗;而且導線中電流減小還會降低窗口內的最大磁場強度，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)出來的寄生效應。漏感會在開關管開通或關斷時產(chǎn)生很大的電壓尖峰，影響輸出的電能質量，甚至給開關管造成損壞。其大小可以通過計算儲存在繞組間的漏磁場能量來確定［5］。將這些漏磁能量等效存儲在一個集中表示的漏感中，其漏感的計算式為

式中:P代表漏磁能量;H表示原副邊繞組之間的磁場強度;Iin表示繞組流過的電流;V表示繞組體積;μ表示磁導率。由式(1)可以看出，當繞組通過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強度。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降低層間的磁場強度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強度，原副邊繞組流過的電流應盡量大小相等、方向相反。這樣得到的磁場強度就會像圖2中的一樣。本文以150 W、頻率為172 kHz、原邊流過1.2 A電流、副邊流過0.4 A電流的高頻變壓器為例，對原邊繞組布置進行分析，并通過有限元軟件 Ansoft進行仿真［6］。

2.1 傳統(tǒng)變壓器模型

初級繞組三匝并聯(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強度H=900 Wb。仿真結果如圖4所示。

簡單的將三匝繞組并聯(lián)繞制雖然能降低磁場強度，減小漏感，但電流分布不均勻，同時會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個模型是3根導線分別布置在3個層上，分別如圖5 a和圖5 b所示。為了避免導體邊緣效應的影響，繞組布置時要兩端對齊，同一層上的繞組繞制時要有一定的間隔。分別對二者進行電磁仿真，則流過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。另外除集膚效應影響外，臨近效應也不能忽略。為了增加可比性，使3個模型的繞組數(shù)目一樣多，以便進行渦流損耗比較。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。層間的磁場強度分布如圖7所示。從圖7可見，層間最大磁場強度分別為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強度。新的變壓器模型在各項性能上均優(yōu)于傳統(tǒng)模型，其各項參數(shù)對比如表1所示。

表1 變壓器各項參數(shù)對比

高頻變壓器溫度指標很重要，溫度設計不合理就會帶來額外的損耗，溫升過大還會影響變壓器使用壽命以及對周圍器件造成影響。因此可通過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 層間磁場強度

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)熱較嚴重，因此產(chǎn)生的溫升要高于圖8 a中的溫升值。通過以上比較可以對新模型進行篩選和認定，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。

3 結論

通過上述分析可知，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仿真實驗也驗證了新變壓器繞組模型在實際應用中的可行性。

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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，華北電力大學電氣與電子工程學院在讀碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

(責任編輯 郭金光)