高频交流隔离变压器设计分析

摘 要：变压器属于各种电路中应用较为普遍的设备之一，通过变压器的使用可以将电路中电压降低或者放大到所需要的电压级数，满足电路中其他设备使用。高频交流隔离变压器属于常用变压器的一种，其应用较为广泛，文章以PET变压器（电力电子变压器）为例，分析变压器设计的注意事项及具体设计。

关键词：变压器;高频;交流;PET

PET变压器主要为一种采用高频开关与PET材料实现的电压传输与变化装置，与传统的变压器相比，PET材料具有重量轻、供电稳定、体积小、控制灵活、成本低等特点，对于变压器质量提升与变压器应用推广具有重要意义。在实际应用中PET变压器主要为高压输入、低压输出，通过其变压器实现电气隔离和降压的目的。

一、 变压器设计的注意事项

相关设计人员在PET变压器设计上需要遵循以下几个注意事项，以确保设计质量：（1）线圈损耗情况。在PET变压器设计过程中，设计人员需要考虑在高频下线圈的具体损耗情况，由于交流电阻增大幅度相对比较大，对于变压器温升与损耗的影响相对也比较大，故设计人员需要考量高频背景下电阻增大情况，为线圈设计提供相应参考数据。（2）工作电路考虑。高频变压器主要的运行环境为放大电路，是构成放大电路的重要组成部分，故设计人员在PET变压器设计过程中，一定要充分考虑变压器所在电路的具体情况，以保证变压器可以充分與电路融合，保证变压器各项参数的准确性与有效性。在变压器相关匝数比、负载阻抗等方面设计上，需要遵循相应阻抗匹配原理，以确保变压器负载阻抗与输出功率符合其所在电路实际需要。（3）铜芯的选择。PET变压器的主要磁性材料包括氧体（软磁铁）材料、合金（超微晶）材料两类，材料选择不同，变压器的性质也有所不同，因此在设计过程中，相关设计人员需要根据PET变压器实际需要，适当选择所需要的铜芯材料，确保变压器整体质量。在铜芯材料选择上，技术人员可以根据饱和磁感应强度、变压器工作频率、电气参数等具体情况进行选择。例如，当变压器工作频率在100kHz以内，则可以选择Mn—Zn氧体材料，当变压器工作频率在1MHz时，则可以选择Ni—Zn氧体材料。

二、 PET变压器（电力电子变压器）设计

（一）PET变压器基本原理

根据电力电子变压器的具体情况，选择以推挽拓扑电路为基础，进行变压器设计。之所以设计人员选择推挽拓扑电路的PET变压器是因为此种电路变压器磁芯线相对利用率较高，电路结构较为简单，相对PET变压器设计难度较小。推挽型电路拓扑结构主要应用在功放电路之中，通常其可以采用MOSFET管或BJT管，通常为MOSFET管（参数相同）或BJT管（参数相同）2个，主要用来实现负半周与正半周相应放大波形任务。当电路运行过程中，2个管只有一个导通，所以导通效率高、损耗小。

设计人员设计PET变压器推挽拓扑电路结构如下图1，该PET变压器输出电流为220V，输入电流为10V。从下图可以看出T1为PET变压器，用于隔离和降压;BS1、BS2两组双向开关（高于1kHz频率，50%占空比）是PET变压器功率（前级）电路的主要构成部分，其用为将电网（前级）侧的工频电压（50Hz）斩波转变为相对应的高频电压，并将转化后的高频电压输入到PET变压器的前级线圈;电容C1和电感L1构成滤波器（网测），主要作用为滤波;电容C2和电感L2组成滤波电路的后级设计，电路负载为RLC1;BS3—BS6（高于1kHz频率，50%占空比）双向开关构成了单相矩阵—单相变换器，双向开关成对组形式，其主要作用为将已经经过T1降低的交流电压再一次还原成所需要的工频交流电压，为负载（后级）提供所需要的电力，其中BS4、BS5驱动脉冲一致为一组，BS3、BS6双向开关为一组两者驱动脉冲一致。

图1 PET变压器推挽拓扑电路结构图

PET变压器推挽拓扑电路变压实现的原理如下：前级变换器的AC-AC（交流—交流）与常见的电路不同，其交流电压（工频）转换为高频交流电压地实现，主要是通过双向开关两组与变压器绕组抽头（额外）实现的。由于两组双向开关的信号（控制）属于矩形高频脉冲信号，且还是相互互补导通的，因此设计了50%占空比的开关两组。变压器电压变化情况与交流电压所处半周有很大关系，当处于负半周时，变压器上端电压高如果高，是因为电路中左侧开关（双向）导通，反之当变压器下端电压高，是因为电路中右侧开关（双向）导通;如果交流电压所处正半周时表现出来特点与负半周完全相反，变压器上端电压高如果高，是因为电路中右侧开关（双向）导通，反之当变压器下端电压高，是因为电路中左侧开关（双向）导通。在电路结构中，触发脉冲频率（所用）要高于工频，以保证所有经过AC-AC电路的输出端交流电压属于高压电流，实现高频电压变化，并将经过变压器转换的电压输入给T1初级线圈。

（二）PET变压器仿真测试

设计人员利用Matlab/Simulink以图1为依据，设计仿真电路，仿真过程中忽略开关损耗，输入交流10kV电压，0.25mH滤波电感，5μF电容，Pulse Generator模块产生仿真电路中高频交流电压频率的脉冲信号频率为5kHz。仿真测试结果为输入电压波形与电流波形的相位基本一致，说明该交流推挽电路可以有效确保该电路质量。

三、 结束语

高频交流隔离变压器设计需要注重一定的注意事项，且在实际设计过程中，技术人员要充分结合电路的具体情况，全面分析设计变压器的具体运行原理等，并做好其所处电路的仿真测试，全面确保变压器设计质量。

参考文献：

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[2]周晓辉.福离变压器在UPS中的配置方案分析[J].建筑电气，2018，37（4）：30-33.

[3]陈永杰，赵奇，唐日强.电力电子变压器中高频变压器的设计方式[J].电工文摘，2018（1）：34-36.

作者简介：

卞冬冬，江苏电老虎工业互联网股份有限公司。