电力电子变压器中高频变压器的设计方式

2018-03-27陈永杰唐日强

电气技术与经济 2018年1期

陈永杰赵奇唐日强

（许继变压器有限公司）

0 引言

电力电子变压器是在技术应用不断提升的基础上产生的一种新型的变压器，此变压器使用了大功率的电力电子元件，并采用相应的控制技术，所以电力系统当中的电压变换和能量传递等功能被轻松实现。传统电力变压器在应用中能够实现的基本功能是电压的变换和电气隔离，而电力电子变压器能够灵活对输入的电流、输出电压以及功率因数进行调节，其在实际利用中更具灵活性，其应用价值也较为突出。在电力电子变压器当中，高频变压器尤为重要，所以探讨其设计方式并对其进行调整优化，可以进一步提升电力电子变压器的利用价值。

1 高频变压器设计

（1）高频变压器磁心选择

在高频变压器的设计当中，磁心选择是一项重要的内容。从目前的分析来看，高频变压器和普通的工频变压器存在着明显的不同，因为高频变压器需要长期在 400Hz～100kHz的高频环境中进行工作，所以其磁心的选择十分重要。在目前的高频变压器设计中，主要利用的磁心材料有纳米晶、超微晶材料和Mn-Zn铁氧体等。将铁基纳米晶铁心和铁氧体铁心进行对比发现非晶和晶原子排列无序性强，电阻率非常的低，而且其导磁率比较高，耗损低，是性能非常良好的软磁材料。所以在选择高频变压器的铁心时，选用纳米晶、超微晶材料可以有效的降低能耗，实现高频变压器效率的提升。

（2）高频变压器铁心的设计

在选择好铁心的材料之后，接下来的重要工作就是进行铁心的设计。从目前的分析来看，铁心的形状对其具体的利用效果有着重要的影响，所以需要利用AP法和 KG法进行高频变压器的形状设计。所谓的AP法指的是面积乘积法，利用此方法需要求出铁心窗口的面积AW和铁心的有效截面积Ae的乘积AP，然后根据AP值进行需要的铁心选择；KG指的是几何参数法，此方法的利用需要求出铁心的几何参数，然后根据几何参数结构选择铁心。就具体的分析来看，AP法的设计较为简单，步骤也十分的明确，所以在高频变压器铁心设计的时候，此方法利用最为广泛。就目前的分析来看，利用此方法需要使用到式（1）：

式中，fs为变压器的工作频率；BW为工作磁通密度；K0为窗口的占空系数；Kf为波形系数；Kj为绕阻的电流密度比例系数；X为与磁心相关的常数。了解了公式中的各个量之后，带入相应的数值，AP的结果就可以计算出来了。

（3）高频变压器电压比计算

在高频变压器的设计当中，高频变压器电压比计算也是一项重要的内容。从具体的分析来看，高频变压器是电力电子变压器中移相全桥变换器的关键性部分。在变压器的一次电流进行换向的时候，电流值会逐渐地减小，此时二次侧会失去部分电压方波，而在电压方波失去的情况下，变压器的二次电压会出现明显的降低。基于这种情况的存在，在进行高频变压器电压比计算的时候，一定要考虑二次占空比丢失的情况。总而言之，在进行高频变压器设计的时候，一定要将移相控制方案存在的二次占空比丢失的问题进行全面的考虑。

（4）高频变压器绕阻计算

在高频变压器的设计中，绕阻是需要重点注意的一项内容，所以需要对绕组计算进行明确。在具体的绕阻分析中，一次绕阻的匝数N1可以根据式（2）进行计算：

式中，Vin为输入电压，按照设计标准，其值取310V；在考虑磁心尺寸的情况下，Ae的值取 3cm2。这样就可以得到 N1的匝数是 34.91匝。利用相同的原理还可以进行二次绕阻的计算。在获得计算结果后取整数值，具体的匝数可以得到确定。

从具体的分析来看，高频变压器的绕阻还受到集肤效应以及邻近效应的影响，所以在进行高频变压器绕阻计算的时候，必须要对这些影响因素进行考虑，这样，获得的计算值才会更具可靠性。因为集肤效应的影响消除可以通过线径的控制来实现，所以根据穿透深度的大小进行线径的选择，这样，整个高频变压器的绕组计算值会更加地精准。

（5）窗口面积校核

在高频变压器设计工作中，窗口面积的校核也是一项重要的内容，因为其关系着铁心设计的科学性。在具体的窗口面积校核工作中，主要有两个方面的工作：第一是进行窗口变压器内径D1的计算，第二是进行高频变压器内径D2的计算。通过D1和D2的具体计算，将铁心的形状进行具体的分析，这样，其形状设计的科学性会明显的提升，简言之，窗口面积的校核最终目的就是要优化铁心的设计。

2 高频变压器的测试和分析

（1）高频变压器铁损计算

在高频变压器的测试和分析工作中，一项重要的内容就是进行高频变压器的铁损计算。就目前的分析来看，高频变压器损耗当中的一个重要组成部分就是铁损，而且铁损还是进行高频变压器效率衡量的一个重要参数，所以其测试分析必须要具有可靠性。就目前的研究分析结果来看，高频变压器的铁损会随着工作频率的增加而增加，也会随着工作磁感应强度的增加而增加。

根据具体的实验测试资料分析来看，在不同工作频率和不同的磁感应强度之下，依据式（3）：

对高频变压器的铁损PC进行测量，并将其和传统的铁氧体磁心铁损进行比较，从测量的数据来看，在工作频率维持在20kHz，0.2T的时候，采用纳米晶铁心的铁损是最小的，而且其铁损比铁氧体铁心的铁损要低的多。当将工作频率和磁感应强度进行加强的时候，铁损呈现出明显的增加趋势，此结果和理论分析具有一致性。

（2）高频变压器交流电阻测量

在高频变压器的测试和分析中，交流电阻的测量也是一项重要的内容。在此次的测量中，利用到的测量仪器是高频精密LCR数字电桥。在交流电阻测量的时候，需要对交流电阻与频率关系的实验值和计算值进行详细的了解。根据实验值和计算值的分析来看，在频率低于 10kHz的时候，交流电阻和直流电阻的差异表现比较微弱，但是随着频率的增加，特别是当频率稳定在100kHz的时候，交流电阻和直流电阻会表现出较为明显的差异，而且交流电阻的计算值和实验值也会表现出巨大的差别。利用高频变压器的一维模型进行分析发现，当工作频率升高的时候，变压器绕阻内部的电磁场分布会表现出剧烈的不均匀性。正是因为存在着此种不均匀性，所以直流电阻值替代交流电阻值便无法实现，在这样的状况下，交流电阻的测量必须要在工作频率和工作磁通密度下进行。

（3）绕组温升和功率损耗的关系

从目前的研究结构来看，高频变压器在发生功率损耗的情况下会导致绕阻温度的上升，针对变压器绕阻温升和功率损耗的关系进行实验分析，可以获得需要的分析结果。从具体的测试分析来看，当高频变压器的绕阻温升小于30℃的时候，铜损小于10W，而此时高频变压器的铁损小于 30W，所以说其总功耗小于 40W。在这个时候，高频变压器的功率等级是1.5kW，其效率能够达到95%以上，这和设计的标准相吻合。通过进一步的实验分析发现，在功耗不断增加的情况下，温升情况也会不断地增加，二者呈现出一种近似正比的关系。综合而言就是绕组温升和功率的损耗存在着正比关系。

（4）绝缘性能测试

高频变压器在进行测试和分析的时候，需要注意的另一项重要内容是其绝缘性的测试。而就目前的绝缘性测试工作来看，主要的内容有两项：第一是一二次绕阻之间的绝缘电阻。在此项内容的测试分析中，利用500V的摇表进行高频变压器绝缘电阻的测试，最终发现在正常的状态下，一二次绕阻之间的绝缘电阻大于 100MΩ。第二是进行抗电强度的测试。在测试中发现高频变压器一次绕阻和二次绕阻之间能够承受50Hz，4000V的电压1min而不发生击穿和飞弧，由此得到高频变压器的耐压强度达到了GB/T 14680.1—2012国家标准。