大容量高频变压器绕组损耗的计算与分析

赵争菡 汪友华 凌跃胜 潘如政 宋金玲 杨晓光

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130）

1 引言

基于电力电子技术，国内外学者探索研究实现电能变换的新型智能变压器——电力电子变压器，又称为固态变压器[1,2]，它具有优于传统电力变压器的控制性能[3,4]。在电力电子变压器的大功率拓扑的实现中，其中的高频变压器本体是最基础、也是最重要的电磁元件。随着需求容量的不断提高，变压器体积不断增大。提高工作频率，可使变压器体积减小，但是高频效应造成的绕组损耗也会随之增大[5]。因此如何选择绕制结构并减少大容量高频变压器绕组损耗非常重要。

本文第二部分运用有限元分析方法[6,7]，建立了不同绕组的结构模型，绘制了沿绕组绕制方向漏磁通密度的分布曲线。将绕组交流电阻、漏感以及损耗随交叉换位的变化进行了详细地计算，在此基础上，可更深入综合分析交叉换位形式[8,9]对高频变压器交流电阻和漏感的影响。由结果可知将分属一二次侧层或线匝交叠安排,可以减少变压器绕组损耗和漏感，即交叉换位技术被广泛运用到变压器绕组的设计中以提高大容量高频变压器的效率。

结合有限元分析[10]结果和高频变压器的制作过程，针对10kW、20kHz 的E-E 形铜箔绕组变压器，第三部分提出了在绕组制作时的技术方法和应该考虑到的一些问题，从而可以使高频变压器漏感和损耗达到最低值。

第四部分对不同绕组结构的高频变压器样机，通过实验测量，获得大功率高频变压器性能参数随绕组结构变化而变化的一致性，为高频变压器的设计提供有效支持。

所设计开发的采用交叉换位绕组结构的10kW高频变压器最高效率可达99%。

2 绕组结构对高频变压器参数的影响

高频变压器不同于工频变压器，变压器工作频率的提高：一方面能降低变压器的体积；另一方面其分布参数的影响很关键，能否很好地设计控制分布参数，关系到变压器本身的功率输出，影响其效率，也会对电源的工作状态产生不良的影响。一个高功率的高频变压器的漏感是非常重要的参数。

漏感与绕组的磁场的能量有关，由下式给出：

式中，μ是绕组气隙的磁导率；V是气隙的体积；H是磁场强度；I是流过绕组的电流。

高频变压器绕组匝间良好的耦合，减小了空间体积，绕组的漏感会降低。

为了预测不同高频变压器绕组结构对电阻和漏感等参数的影响，建立了不同绕组的模型，如图1所示。模型包括无交叉式、三明治式和交叉换位式。在该仿真中所使用的磁心材料为美磁公司的OR49938EC 型铁氧体。在20kHz 时，额定电压比为600∶300，额定电流比为17:34，匝数比为2∶1。图1中黑色代表一次绕组，白色代表二次绕组。

图1 不同的绕组结构模型Fig.1 Models of different winding structures

图2 为不同结构的绕组沿绕制方向漏磁通密度的分布曲线。

图2 不同结构的绕组沿绕制方向漏磁通密度的分布曲线Fig.2 Curves of leakage magnetic flux density distribution for different winding structures

在图1 和图2a 可见，在简单结构，即无交叉式的绕组中，漏磁磁通密度随一次安匝数的增加而增加，在一二次侧交界面达到最大，约为0.037T。因为二次侧与一次侧的安匝数相等但方向几乎相反，所以从二次界面开始漏磁磁通密度不断减少，在二次绕组边缘减少到零。显而易见这种结构会引起很大的漏感，同时由于一二次绕组分开绕制使绕组的邻近效应增强，交流电阻增大，使变压器铜损增加。所以在制作高频变压器时不能贪图方便而采用这种简单的绕组结构。

在图1 和图2b 中，与普通绕组结构相比，在三明治式结构绕组中，漏磁磁通密度的最大值约为0.02T。这比无交叉式结构的绕组漏磁磁通密度最大值减小了约一半，且在一次绕组的中心附近减少到零，因此三明治式绕组的漏感和邻近效应要小很多。由此可见，三明治式结构会使变压器的铜耗减小，可以提高变压器的效率。

从图1 和图2c 可见，交叉换位式绕组的漏磁磁通密度最大值约为4.8mT。这比三明治式结构的绕组漏磁磁通密度的1/4 还要小。与此相对应，该绕组结构的邻近效应和漏感也大大降低。事实上，由于邻近效应被消除，不同匝数的绕组电阻几乎相同；另一方面，因为交叉换位的绕组每匝之间具有良好的耦合，因此在绕组中的铜损是平均分配的。交叉换位式绕组的变压器，故障率降低，可靠性和效率得到了提高。因此，交叉换位式绕组的变压器参数的性能优于前两种。

在20kHz 时，用有限元方法计算了不同绕组结构的高频变压器各个参数，结果见表1。

表1 不同绕组结构的高频变压器参数的计算值Tab.1 Simulated parameters of high-frequency transformers with different winding structures

因为绕组靠近并交错：一方面由于邻近效应减小内部磁场；另一方面可降低层间气隙中的磁场储能，达到使损耗及漏感减小的目的。交叉换位技术减少了高频变压器的漏感、绕组电阻、阻抗和涡流损耗。

3 大容量高频变压器绕组制作要求

考虑到高频时的趋肤效应和邻近效应，在制作高频变压器时，绕组导线直径一定要限制在两倍趋肤深度以下，也可以采用多股细铜线并绕的方式来降低变压器的涡流损耗或者采用薄铜箔作为导线。

高频变压器绕组的拓扑结构对变压器的最终性能及其可靠性有很大影响，为尽量使变压器的漏感和交流电阻减小到一个合适的范围，在绕制变压器时务必要想办法使一二次绕组紧密地耦合在一起。当变压器的电压比较大时，二次分布电容折算到一次侧要乘以匝比的平方从而变得很大，所以高频高压大功率变压器要求其分布电容要小，这就要求在绕制变压器时要特别注意。

制作交叉换位式绕组时，首先围绕磁心缠绕变压器一次绕组的第一匝，然后缠绕变压器二次绕组的第一匝，就这样，一匝一匝交叉着绕制，直至完成。通过这种绕制方法，可以降低高频变压器的漏感，提高效率。但是这种绕组结构在非1∶1 电压比的变压器中较难实现，在工程实践中可以采用折中的方法，使漏感在合适的范围之内同时也方便绕制。

4 样机实验

在有限元分析的基础上，制作了铜箔式20kHz、10kW 变压器样机。磁心为美磁公司的OR49938EC型铁氧体。该铁氧体磁心几何形状和尺寸如图3 所示，20kHz 下的磁心B-H曲线如图4 所示。

图3 OR49938EC 型铁氧体磁心的几何形状和尺寸Fig.3 Geometry of selected OR49938EC ferrite core

图4 20kHz 下OR49938EC 型铁氧体磁心的B-H 曲线Fig.4 B-H curve of selected OR49938EC ferrite core

经过计算和设计，样机绕组采用厚度为0.2mm、宽度为26.5mm 的铜箔，绝缘采用厚度为75μm 的透明聚酯薄膜，一次绕组在内侧，二次绕组在外侧。其他主要参数见表2。

表2 高频变压器样机的主要参数Tab.2 Main parameters of the prototypes

样机实验采用ZM2353LCR 分析仪进行。各个性能参数实验数据见表3。

表3 不同绕组结构的高频变压器参数的实验值Tab.3 Experimental parameters of high-frequency transformers with different winding configurations

采用交叉式绕组比单纯的三明治绕组形式具有一定的优越性，它可以很好地降低漏感和电阻，也可以降低绕组的损耗，而增加了绕组间的分布电容。

通过样机的实验测量，可以看出高频变压器性能参数的大小与绕组结构及绕组布局有很大关系。结合变压器制作过程，总结如下：

（1）减小漏感可以由一二次绕组间的紧耦合来实现，也就是绕组结构上采用很小的间距以及布局上采用交叉换位的方法即可减小漏感。

（2）绕组采用不同的绕制方法，其分布电容差异较大。采用交叉换位绕制方法，同一绕组层与层的实际间距增大了，所以绕组的分布电容相应减小。

（3）绕组间分布电容除了与线圈层间距、层间绝缘材料以及绕线粗细有关外，与两绕组正对的面积有很大关系。因而，采用不同的绕组布局时，绕组间电容会有很大不同。采用交叉换位绕制后，一二次绕组正对的面积变大，致使绕组间产生大的寄生电容。紧密绕组的低漏感和大寄生电容成了一对矛盾。制作时应权衡考虑。

5 结论

通过有限元分析和样机实验，得到了如下结论：在高频变压器制作过程中，为了尽可能发挥交叉换位减少绕组损耗的作用，必须将具有不同电流流向的导体尽量安排得近一些，将具有相同电流流向的导体尽量安排得远一些。即绕组采用交叉换位式可以减小变压器漏感和损耗，提高可靠性和效率。

一台采用交叉换位式绕组结构的20kHz、10kW变压器制作完成，测试其效率最高可达99%。

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