高频变压器漏抗影响机理研究

许志伟，许智萌，刘志华

(湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411101)

0 引言

高频变压器是电力电子变压器(Power Electronic Transformer简称PET)的中间隔离级部分，高频隔离变压器的作用是将电力电子变压器一次侧升频所带来的高频交流高压方波耦合到二次侧[1].高频变压器具有隔离和传输功率的重要作用，是电力电子变压器的核心器件.PET在电力系统领域的应用研究包括改善电网电能质量、改善电力系统动态特性、分布式电网并网应用、柔性交流输电系统应用等[1].随着电力电子器件的快速发展，要求设备磁性材料做到小型化、高效化，变压器体积与工作频率是成反比的，提高变压器工作频率可有效减小其体积.高频变压器可用在高开关频率的电路中，用以减小开关电源输出电压的波纹，使其变得平滑.高频开关电源与传统的线性电源相比，不仅提高了开关频率，还大大提高了高频滤波技术，已被推广至各个行业中[2].与传统变压器相比，高频变压器无论是在工作频率，还是铁芯材料等方面[3]都具备很大优越性.尽管在变压器铁芯结构、材料、绕组布局等方面做了许多改进，但是变压器的基本工作原理仍然没有改变，还是根据电磁感应定律，通过不同的铁芯形状及导磁材料实现交流电能的变换及隔离[4].

文献[5]研究一种纳米晶磁性材料高频变压器的损耗特性，并提出一种基于流量波形系数Steinmetz方程的磁芯损耗计算方法，采用了纳米晶磁性材料，测量了铁芯损耗密度，其饱和流体密度随着温度升高而降低的特性有利于高密度材料的电磁设计.文献[6]针对电力开关电源进行了分析，提出了导通与关断时，电感储能以防止磁饱和现象的观点.文献[7]利用有限元分析方法，研究了三种不同程度的交叉换位方式以及绕组层数对漏感的影响，提出了交叉换位程度越高，漏感下降地越明显的观点，并提出了高频变压器漏感及绕组损耗的控制方法.文献[8]分析了高频变压器漏感在电源工作中的影响，并提出了一系列抑制漏感影响的措施.

本文针对高频变压器，在ANSOFT环境下[9-10]，研究绕组采用交叉式绕制方式、锰锌铁氧体铁芯和提高工作频率对漏电感的影响.通过使用三维有限元法，从减小漏感的角度，采用对比分析及控制变量法对高频变压器漏感进行了详细的分析，从而确定最合适的高频变压器漏电感减小方案.

1 高频变压器结构及其漏感产生的机理

1.1 高频变压器结构及其建模

本文中高频变压器为双绕组结构，两个绕组分布在“口”字型铁芯的两侧，如图1所示.铁芯材料作为导磁材料，在高频变压器中起着至关重要的作用，选用什么样的铁芯材料，会直接影响高频变压器的性能[11][12]，表1为一些高频变压器铁芯材料的参数，本文用锰锌铁氧体和硅钢作为高频变压器的铁芯材料来进行对比分析.

图1 高频变压器结构示意图

表1 高频变压器铁芯材料

高频变压器由初级绕组和次级绕组，其绕制方式、布局可以分为三种，分别是简易绕制结构、三明治绕制结构以及交叉绕制结构.将初级侧绕组和次级侧绕组分开然后分别进行绕制的是简易绕制结构；三明治绕制结构是两层夹一层的绕法，根据中间一层绕组的不同，还可将三明治分为初夹次、次夹初两种绕法；交叉绕制结构顾名思义，就是将初级绕组与次级绕组交叉在一起绕制的一种结构[13].对铁芯及双绕组进行网格剖分如图2所示.由于三明治绕制结构多发生在初次级绕组绕制铁芯为同心柱的情况下，而本文讨论的高频变压器铁芯为“口”字型铁芯，因此本文采用简易绕制结构与交叉绕制结构进行对比分析.

图2 铁芯与绕组的网格剖分示意图

1.2 漏感产生的机理

在高频变压器的负载运行过程中，初级绕组与次级绕组的一部分磁通没有被耦合，而是发散在空气中并形成了自己的闭合回路，这部分磁通叫“漏磁通”，该磁通产生的电感就是漏电感[14].

计算高频变压器漏感的主要方法有两种:一是磁路法，二是能量法.这两种方法的计算思路不同，磁路法是要求先求出漏磁链，根据它的表达式进而再求出漏电感的大小；能量法则是根据漏磁场的总能量去求漏电感的值.本文采用能量法计算漏感，表达式如下[15]：

(1)

(2)

其中，W为漏磁场总能量，L为漏电感值，I为激励电流值，B为磁感应强度，H为磁场强度，V为计算磁场区域.由式(1)与式(2)，通过移项可以得出漏电感的表达式：

(3)

再由磁感应强度B与磁场强度H之间的关系，有：

B=μ0H

(4)

结合式(3)与式(4)得出漏电感最终表达式(5)为：

(5)

2 绕组绕制结构对漏感的影响

2.1 绕组简易绕制结构与交叉绕制结构

绕组简易绕制也被称为无交叉绕制，这种方式将初级绕组与次级绕组分开进行绕制在同一铁芯上，使其各自能独立工作，简单易操作.如图3所示，蓝色部分代表两个独立的绕组线圈，即初级绕组和次级绕组，黑色部分代表铁芯.如图4所示，红色部分代表初级绕组与次级绕组，二者相互交叉重叠.

图3 绕组简易绕制结构示意图

图4 绕组交叉绕制结构示意图

2.2 绕组绕制结构对漏感影响的仿真

采用控制变量法进行研究，绕组材料采用铜，铁芯采用铁氧体材料，工作频率设定为10 kHz，为得到漏磁场的总能量，在高频变压器的初次级绕组中分别加入等大反向的安匝电流1 A，如图5(a)、图5(b)所示，使得绕组线圈在铁芯中产生的主磁通相互抵消，然后剩下的磁场就是漏磁场，最后再通过漏磁场的能量来计算漏感[15].

图5 绕组电流方向示意图

首先采用绕组简易绕制方式，经过仿真计算得出高频变压器漏磁场的总能量为2.4783×10-7J,如图6所示.

将其带入式(1)与式(2)，可得：

再将激励电流值I=1 A带入上式，可得：L=495.66 nH，绕组简易绕制高频变压器磁场分布图如图7所示.

图6 绕组简易绕制高频变压器漏磁场总能量

图7 绕组简易绕制高频变压器磁场分布图

接下来再采用交叉绕制方式，经过仿真计算得出高频变压器漏磁场的总能量为6.1625×10-8J,如图8所示.

图8 绕组交叉绕制高频变压器漏磁场总能量

可知漏感L=123.25 nH，两种绕组绕制方式，后者漏感减小了3/4.绕组交叉绕制高频变压器磁场分布图如图9所示.

图9 绕组交叉绕制高频变压器磁场分布图

由图7和图9两种绕组绕制方式的高频变压器磁场分布图可知，图中磁场分布基本相同，其中包含了主磁场和漏磁场，漏抗的大小是微乎其微的，其单位nH是10-9数量级.但从数值的角度可以看出，采用绕组交叉式绕制方式相比于采用绕组简易绕制方式，其漏感大大减小，可知选用绕组交叉式绕制方式有助于减小漏感.

3 铁芯材料对漏感的影响

3.1 采用锰锌铁氧体材料与硅钢

锰锌铁氧体主要是由铁、锰和锌三种金属元素构成，被制成环装的铁氧体磁芯截面积处处保持一致，没有气隙，所以，相对与普通铁芯材料来说，其磁导率很高.

采用的锰锌铁氧体材料，其相对介电常数为12，相对磁导率设为各向同性且导磁性能为线性，其数值为1000，电导率0.01 s/m，密度为4600 kg/m3.

由于仿真和环境选择的是涡流磁场，所以采用的DR510硅钢材料，相对介电常数为1，各向同性且导磁性能为线性，其数值设为2000，材料构成设置为叠片形式，其中叠压系数为0.97，叠压方向设为Z轴方向.

3.2 铁芯材料对漏感的影响的仿真

将铁芯材料设置为锰锌铁氧体，绕组材料设为铜，并采用交叉式绕制方式，工作频率设置为10 kHz的仿真结果，结果得出漏磁场总能量为6.1625×10-8J，进而得出漏感L=123.25 nH.

下面采用控制变量法，通过改变铁芯材料来进行研究，将铁芯材料设置为DR510硅钢材料，其他条件保持不变来进行仿真分析，经过仿真计算得出漏磁场总能量为2.43×10-7J，如图10所示.

图10 DR510硅钢铁芯高频变压器漏磁场总能量

可知漏感L=243 nH.铁芯材料采用锰锌铁氧体，工作效率更高，其漏磁场总能量大大减小，相应漏感也随之减小，整体能量利用率更高，对减小分布参数漏感有很大帮助.

4 频率对漏抗影响的仿真分析

高频变压器的工作频率在10 kHz以上，通过提高工作频率来分析高频对漏抗的影响.通过前面的仿真计算的结果，可以得知铁芯采用锰锌铁氧体材料，绕组采用铜材料并且是交叉式绕制方式的高频变压器在10 kHz的工作频率下，其漏磁场总能量为6.1625×10-8J，进而得出漏感L=123.25 nH.

下面采用控制变量法，通过改变高频变压器的工作频率进行研究，将高频变压器的工作频率调整为100 kHz，其他条件不变来进行仿真分析，经过仿真计算得出漏磁场总能量为6.128×10-8J，如图11所示.

图11 100 kHz工作频率下高频变压器漏磁场总能量

可知漏感L=122.56 nH.为了找出其工作频率与漏抗之间的关系，进一步设置工作频率为1 MHz，经仿真计算得出，漏磁场总能量为6.122×10-8J,采用曲线图描述其规律，如图12所示.

图12 1 MHz工作频率下高频变压器漏磁场总能量

可知漏感L=122.44 nH.从仿真结果中可以得出，高频变压器在一定的工作频率范围内，增加其工作频率，可以使其漏抗减小.

5 结论

本文基于高频变压器漏感的产生机理，从铁芯材料，绕组绕制方式及工作频率的三个方面进行研究，提出了锰锌铁氧体铁芯、绕组交叉绕制布局和提高工作频率三种工作措施来减小高频变压器的漏抗.采用了3D有限元法，对高频变压器的漏感进行了详细的分析.仿真结果表明，上述三种措施可以有效地减小漏感，特别是采用绕组交叉绕制方式的方法，漏感下降显著.