基于寬幅壓條件下的高頻變壓器設(shè)計

戴米格

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基于寬幅壓條件下的高頻變壓器設(shè)計

戴米格

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

本文主要是針對寬幅壓的條件下，借助AP法對高頻變壓器進行了設(shè)計，使實驗搭建的樣機能夠在175-320 V的寬幅壓范圍內(nèi)保持較好的穩(wěn)定性。并利用Ansoft與Simplorer的聯(lián)合仿真方法得出在寬幅壓條件下的高頻變壓器的仿真波形。

AP法 高頻變壓器

0 引言

電力電子逆變電源在我國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但目前已使用的逆變電源是通過PWM逆變器實現(xiàn)直流到工頻交流電的電能轉(zhuǎn)換，經(jīng)過工頻變壓器隔離、變壓，再通過LC濾波輸出交流正弦波，而此時的變壓器為工頻變壓器，體積比較大，主要是用于隔離作用。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，變壓器的體積與功率、工作頻率相關(guān)。因此，提高工作頻率成為減小變壓器體積的一個有效途徑。隨著高性能材料的推出和現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，通過大幅提高變壓器的工作頻率來大幅減小變壓器體積已經(jīng)成為可能[1]。工作頻率的提高，不僅讓高頻變壓器在體積上比工頻變壓器有所減少，繞組線圈數(shù)量也隨之減少，且相應(yīng)地可以減小銅損。變壓器設(shè)計需要考慮電壓、電流、頻率、溫度、磁材料參數(shù)、損耗等，本次設(shè)計的變壓器要在175-320 V寬幅壓條件下工作，輸入輸出電流較大，所以對磁芯材料及磁芯形狀的選擇都有較高要求。

高頻變壓器設(shè)計分兩大步驟：先確定磁芯材料、磁芯結(jié)構(gòu)、磁芯參數(shù)、線圈參數(shù)，再核算設(shè)計的合理性。具體的高頻變壓器設(shè)計指標如下表1。

表1 高頻變壓器設(shè)計指標

在此設(shè)計指標基礎(chǔ)上，對高頻變壓器進行設(shè)計，以達到指標要求。

1 高頻變壓器設(shè)計過程

1.1 高頻變壓器材料選擇

制作高頻逆變器所需的材料應(yīng)當充分考慮變壓器工作磁場強度、工作頻率、工作狀態(tài)（波形）以及磁材料的磁性能。在實際應(yīng)用中，高頻變壓器的磁芯磁導(dǎo)率要高，當磁場強度()一定時，根據(jù)磁感應(yīng)強度=，越大，磁感應(yīng)強度越大，線圈就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出功率一定的情況下[2]，可以降低外磁場的勵磁電流值，從而降低磁元件的體積；磁芯要有較高的電阻率，高電阻率可以減小渦流損耗，甚至可以忽略不計損耗。

目前市場上變壓器使用的磁芯材料有兩大類：鐵氧體磁芯和合金類磁芯。各種磁材料的性能比較見表2：

表2 磁材料的性能比較表

從變壓器的性能指標要求可知，傳統(tǒng)的硅鋼片、鐵氧體材料雖然性價比較高且性能穩(wěn)定，但已很難滿足變壓器在高頻及各種實際的特殊環(huán)境條件下的設(shè)計要求。磁芯的材料只能在合金類磁芯材料中選擇，但鐵鎳合金、鉬坡莫合金飽和磁感應(yīng)強度Bs為非晶態(tài)合金、超微晶的2/3左右，且加工工藝復(fù)雜。非晶態(tài)合金即金屬玻璃，是一種壓穩(wěn)態(tài)材料，目前普遍采用單輥快淬法制作，其條帶厚度一般不大于30 μm；超微晶又稱納米晶，可在非晶態(tài)合金的基礎(chǔ)上經(jīng)過晶化退火處理后獲得，也是薄帶條狀。薄帶有利于在高頻條件下使用，因此，綜合磁性材料表2的各材料性能，選擇飽和磁感應(yīng)強度高，溫度穩(wěn)定性好，價格適中的非晶合金實現(xiàn)高頻變壓器的設(shè)計。

1.2 磁芯參數(shù)計算[3]

變壓器磁芯幾何尺寸的計算有兩種常用方法[4]：第一種是面積乘積法，即先求出磁芯窗口面積和磁芯有效截面積的乘積（，稱磁芯面積乘積）然后根據(jù)值查表找出所需磁芯材料的編號，從而確定磁芯幾何尺寸，又稱法；第二種是幾何參數(shù)法，即先求出幾何參數(shù)，查表找出所需磁芯材料的編號，再進行設(shè)計，稱為法。本文詳細討論高頻變壓器的法設(shè)計。

整理得：

每匝所占用面積與流過該匝的電流值和電流密度有關(guān)，如下式所示：

整理得：

將式(7)代入式(6)可得：

整理得：

變壓器視在功率P的值隨著線路不同而不同。如圖1所示：

線路a理想時（即變壓器效率=1時）。

實際（即<1）

線路b理想時（即=1）

實際（即<1）

線路c理想時（即=1）

實際（即<1）

窗口使用系數(shù)K0是表征變壓器或電感器窗口面積中銅線實際占有的面積量。K0與主要線徑、繞組數(shù)有關(guān)，一般典型值取K0=0.4。

本次設(shè)計的變壓器副端為全波整流電路結(jié)構(gòu)，視在功率與輸出功率的關(guān)系如式(12)所示，變壓器效率取0.95，得PT=20526 W；查表3，當升溫50℃時，Kj=468，X=-0.14，磁通變化的變壓器原邊電壓為方波，故波形系數(shù)Kf=4，窗口系數(shù)K0=0.4；非晶合金的飽和磁感應(yīng)強度Bs約為1.6T，磁芯材料工作在高頻條件下時，鐵芯損耗比較大，同時還要考慮高頻變壓器尖峰電壓等因素變壓器設(shè)計時可以適當減小B值，以減小鐵心損耗和防止過壓；B值都是根據(jù)高頻變壓器設(shè)計要求選定的，只要在非晶合金材料的B-H曲線的線性區(qū)域即可，本文的變壓器工作在175-320 V電壓下，所以設(shè)定變壓器在175 V時，選定BW值為0.2 T，保證變壓器在尖峰電壓下和較大電壓條件下不會進入磁飽和狀態(tài)。工作頻率f=10 kHz，由式(10)可算得=301.02 cm4。

表3 磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)

1.3 線圈參數(shù)計算

由于實驗要求變壓器工作在175 -320 V的寬幅壓條件下，所以本文變壓器取變比1，所以原邊參數(shù)與副邊參數(shù)相同。

線圈匝數(shù)：

取整20匝繞阻電流值：

電流密度：

繞阻裸線面積：

因為變壓器是在高頻下工作，故電流的集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)對高頻狀態(tài)下的變壓器影響很大，為了減小這一影響，降低繞組損耗，選擇的導(dǎo)線半徑要小于集膚深度。

因此采用直徑為0.109 cm的AWG18導(dǎo)線，且32股并繞。變壓器邊比為1:1，所以副邊匝數(shù)也取20匝，同時導(dǎo)線的參數(shù)及繞制與原邊相同。

1.4 設(shè)計核算

磁芯CD25-55-85的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，窗寬為40 mm，窗高為85 mm，32股AWG18導(dǎo)線并繞的直徑為6.17 mm，20匝線繞雙層，每層各10匝即可完成。

圖2 單相C型鐵芯外形結(jié)構(gòu)圖

2 仿真模型的建立

2.1 仿真模型

利用Ansoft仿真軟件在二維瞬態(tài)場中建立變壓器幾何模型、設(shè)定材料屬性、指定邊界條件、網(wǎng)格剖分、設(shè)定求解選項，變壓器激勵源使用外置電路[6-8]。變壓器模型繞組匝數(shù)設(shè)置為10匝，變比為1；變壓器的鐵芯使用鐵基非晶合金材料，最大磁感應(yīng)強度為1.6 T，在Material選項中自定義廠家提供的B-H曲線參數(shù)，一、二次繞組均采用銅導(dǎo)線繞組即Ansoft自帶的Copper材料；模型的網(wǎng)絡(luò)剖分大小對仿真結(jié)果的精確度有很大影響，文中各區(qū)域均分配1 mm。分析采用Ansoft Maxwell 12與Simplorer 8聯(lián)合仿真方式，仿真時間設(shè)為100 ms、求解時間為2 μs，場信息保存時間步長為1 ms(Ansoft與Simplorer 的仿真時間要同步)，如圖3所示。

2.2 仿真波形

為了驗證本次設(shè)計的可行性，在實驗搭建的樣機對設(shè)計的高頻變壓器進行測試。利用Ansoft仿真軟件在二維瞬態(tài)場中建立變壓器幾何模型、設(shè)定材料屬性，變壓器激勵源使用外置電路[6-8]。變壓器在高頻開關(guān)作用下產(chǎn)生尖峰電壓，特別是在前五個周期產(chǎn)生的尖峰電壓脈沖較高。這也是直流輸入干線的信號干擾源之一。實際電路設(shè)計中需要對功率開關(guān)管增加RC緩沖電路，這樣不僅能減小電路諧波，還能延長功率開關(guān)管使用壽命。如圖4是變壓器初級電壓仿真波形，圖5是變壓器次級電壓仿真波形：

圖3 系統(tǒng)仿真模型

圖4 變壓器初級電壓仿真波形

變壓器在高頻開關(guān)作用下產(chǎn)生尖峰電壓，特別是在前五個周期產(chǎn)生的尖峰電壓脈沖較高，這也是直流輸入干線的信號干擾源之一，實際電路設(shè)計中需要對功率開關(guān)管增加RC緩沖電路，這樣不僅能減小電路諧波，還能延長功率開關(guān)管使用壽命。

圖5 變壓器次級電壓仿真波形

3 結(jié)論

本文通過材料選擇，磁芯參數(shù)計算、線圈參數(shù)計算以及設(shè)計核算對寬幅壓條件下工作的高頻變壓器進行了設(shè)計。根據(jù)實驗所需樣機參數(shù)要求選擇材料為鐵基非晶軟磁合金的CD25-55-85磁芯，計算線圈參數(shù)和計算變壓器的損耗，并通過Ansoft Maxwell 12與Simplorer 8聯(lián)合仿真方式研究了高頻變壓器的電磁特性，所設(shè)計的變壓器能夠較好得在175-320 V的寬幅壓條件下正常工作。

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Design of High-Frequency Transformer in a Wide Input Voltage

Dai Mige

(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031，China)

TM433

A

1003-4862（2019）07-0029-06

2018-03-27

戴米格（1996-），女，助理工程師。研究方向：船舶工業(yè)，電力工業(yè)，機械工業(yè)。E-mail: 1527432143@qq.com