大容量高频变压器绕组损耗的计算与分析

王国龙

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东莱芜 271104）

0 引言

国内外的研究学者在电力电子技术的基础上，研发的新型智能变压器实现了更加有效的电能变化，这种电力电子变压器也叫固态变压器。电力电子变压器与传统的变压器相比有一定优势，控制性更强。电力电子变压器组成中最基础的电磁原件是高频变压器，也是最重要的部件。在不断增加变压器需求容量的背景下，其体积也在持续增加。变压器的体积随着工作频率的增加而不断减小，但是从绕组的损耗方面来分析，在高频效应下会越来越大。为此，对于大容量高频变压器，研究的重点是怎样通过绕制结构优化来减少绕组损耗。

在后面研究中，主要是基于有限元分析法进行结构模型构建，得到不同绕组模型，绘制绕组绕制方向漏磁通密度分布曲线。计算绕组交流电阻、损耗交叉换位变化以及漏感等数值。在这种情况下，又对综合分析交叉换位形式与高频变压器交流电阻、漏感等的影响进行深入研究。通过研究结果发现，想要降低变压器绕组损耗和漏感，可以将分属一二次测层或者线匝交叠安排。在变压器绕组设计中应用交叉换位技术，有效提高大容量高频变压器的工作效率。将高频变压器与有限元分析相结合，针对20 kHz、10 kW 的E-E 型铜箔绕组变压器，应用科学有效的绕组制作技术方式，充分考虑可能产生影响的因素，最大限度降低高频变压器的损耗和漏感。

实验测量高频变压器样机，分析不同绕组结构情况。结果显示，绕组结构的变化会引起变压器性能的变化，这也可作为重要的依据来进行后期的设计开发。

1 绕组结构对高频变压器参数的影响

与工频变压器不同，在工作频率方面，高频变压器更高，主要有以下方面：首先，变压器的体积缩小；然后，加强控制分布参数，变压器的输出功率与分布参数设计质量有直接关系，会对其效率造成较大影响，可能造成电源处于不良的运行状态。高频变压器中高功率的漏失是重要的参数之一。

本次研究建立了不同绕组模型，如图1 所示。以此分析对漏感、电阻等参数带来的影响，包括有交叉换位式模型、三明治式模型以及无交叉式模型。选取美磁公司的OR49938EC 型铁氧体作为磁芯材料进行仿真模拟。20 kHz 下，匝数比2∶1，额定电流比和额定电压比分别为17∶34 和600∶300。图1 中的黑色、白色分别代表一次绕组、二次绕组。

图1 绕组结构模型

（1）图1 和图2a）显示，漏磁磁通密度在结构简单，无交叉式绕组中，加大一次安匝数会加大漏磁磁通密度。当一次安匝数为0.037 T，达到侧交界面最大值的情况下为最大。这是因为一次侧与二次侧有着相同匝数，却为相反方向，到达二次界面后，就会出现漏磁磁通密度减少的情况。达到二次绕组边缘时出现最小值0。从这个分析可以看到，这种结构出现漏感的可能性很大，此外，在分开绕制一二次绕组的情况下，就会加大其邻近效应，增加交流电阻，加大变压器铜损。因此高频变压器在设计和制作时，不能因为其结构简单就采取这种绕组方式。

（2）图1 和图2b）显示，三明治式绕组结构与普通绕组结构漏磁磁通密度相比，最大值大约小一半。三明治式结构绕组的最大值为0.02 T，漏磁磁通密度在中心位置处降低为零，因此三明治式绕组结构的漏感和邻近效应比较小，变压器铜耗也比较小，有效提升变压器的效率。

（3）图1 和图2c）显示，在漏磁磁通密度方面，交叉换位式结构会小于三明治式结构，交叉换位式绕组漏磁磁通密度最大值为4.8 mT。因此交叉换位式绕组结构形式的漏感、邻近效应大大降低。不同匝数的绕组因邻近效应大大降低，电阻基本相同；同时交叉换位绕组结构形式每匝之间有着良好的耦合，所以铜损的分配也比较平均。在效率、可靠性和故障率方面，交叉换位式绕组结构都有良好表现。因此，相对于前两种变压器，其性能更优。交叉换位式绕组交错并靠近，内部的磁场因为邻近有所减小，层间气隙的磁场储能也有所下降，实现了漏感、损耗下降的目的。交叉换位式绕组形式有着降低高频变压器绕组电阻、漏感、涡流损耗和阻抗等优势。

图2 不同结构的绕组沿绕制方向漏磁通密度的分布曲线

2 大容量高频变压器绕组制作要求

在高频变压器的设计和制作时一定要考虑到邻近效应和趋肤效应，绕组导线的直径不能大于趋肤深度的2 倍。降低变压器的涡流损耗可以采取多股细铜线并绕的方式或者采用薄铜作为导线。变压器的最终性能、可靠性都与高频变压器绕组的拓扑结构有着密切关系。保障变压器的漏感、交流电阻处于科学合理的范围内，就要在变压器制作时尽量使一二次绕组实现紧密耦合。二次分布电容是按照匝比平方来向一次侧折算，增加变压器电压情况下，二次分布电容就会出现很大变化。这就要求在高频高压大功率变压器电容进行分布时，尽量要小，充分考虑到变压器绕制时可能出现的问题。交叉换位式绕组制作时，首先变压器绕组的第一匝一定要围绕磁芯缠绕，再开始二次绕组的一匝，重复以上过程，直到缠绕完成为止。这种缠绕方式有效提升了工作效率，使高频变压器的漏感减少。但在实际操作中难于进行此类非1∶1 电压比的绕组结构，通常会选用折中措施，在便于绕制的基础上，也能有效控制漏感范围。

3 样机实验

经过计算和研究，在样机绕组的制作方面，铜箔选用宽26.5 mm、厚0.2 mm，以透明聚酯薄膜为绝缘材料，厚度为75 μm，采取交叉换位式绕组形式代替三明治式绕组结构形式，有效降低了漏感、电阻，保障绕组的损耗降到最低，绕组间的分布电容有所增加。高频变压器性能参数大小通过对样机的实验测量得出，与绕组的布局有着密切关系。通过制作变压器，主要表现为3 点。

（1）通过对一二次绕组间的紧密耦合，实现漏感的减小，采取交叉换位的方式缩短绕组结构上的间距，进行科学合理的布局。

（2）分布电容会因为不同的绕制方式而出现较大差异。在交叉换位绕制方法中，加大了同一绕组层间的距离，减少了绕组分布电容。

（3）绕组间绕线的粗细、线圈层间距以及层间绝缘材料都会影响分布电容，同时还与绕组正对的面积有着密切关系。因此绕组间电容会因为采取不同的绕组布局存在很大差异。一二次绕组在经过交叉换位式绕组结构后正对面积增加，也会导致出现的寄生电容较大。在紧密绕组中，大寄生电容与低漏感之间是一对矛盾，这就需要进行综合分析。

4 结论

经过以上研究和分析得出，高频变压器在制作过程中，尽量使用交叉换位式绕组结构，有效降低损耗，对于导体有着不同流向的电流，可将其靠近安排，流向相同则应尽量远离。通过交叉换位式，能有效降低变压器的损耗和漏感，提升效率和可靠性。