孟 明 ， 吳海波 ， 蔣 理 ， 郝 丹

（1.華北電力大學(xué) 河北 保定 071003；2.遼寧省電力有限公司技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢(xún)研究中心 遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院 遼寧 沈陽(yáng) 110005）

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電越來(lái)越受到人們的重視，變換器是將太陽(yáng)能電池板上的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎玫墓ゎl交流電的裝置。反激變換器用到的電子器件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此廣泛應(yīng)用于小功率場(chǎng)合[1-2]。反激變換器的重要元件之一是高頻變壓器，設(shè)計(jì)好高頻變壓器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率以及電能質(zhì)量都非常重要。目前，變壓器中的磁性元件短時(shí)間內(nèi)很難有較大的突破，因此我們只能通過(guò)優(yōu)化繞組的方式來(lái)達(dá)到提高效率和電能質(zhì)量的目的。反激變壓器不同于以往的變壓器，主要體現(xiàn)在能量傳遞上，不是直接從原邊繞組到副邊繞組，而是通過(guò)氣隙這個(gè)中間環(huán)節(jié)傳遞[3-4]。本文將對(duì)變壓器繞組的渦流損耗和漏感進(jìn)行分析，這些都是影響效率和電能質(zhì)量的主要因素。繞組大多采用漆包線(xiàn)和銅箔進(jìn)行繞制，通過(guò)對(duì)不同繞組結(jié)構(gòu)的分析，利用有限元仿真得到優(yōu)化后的繞組模型，并制作出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行性能分析。運(yùn)用繞組優(yōu)化后的高頻變壓器電路，輸出電壓波形好，效率高，對(duì)優(yōu)化后的繞組的可行性給予了有效的驗(yàn)證。

1 變壓器繞組模型結(jié)構(gòu)分析

1.1 高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)分析

反激式高頻變壓器繞組包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，其材料主要是漆包銅導(dǎo)線(xiàn)和銅箔。漆包銅導(dǎo)線(xiàn)一般應(yīng)用較廣泛，要求流過(guò)的電流相對(duì)銅箔來(lái)說(shuō)較小。當(dāng)電流較大時(shí)還可通過(guò)若干根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)的方式繞制繞組[5]。本文所設(shè)計(jì)的高頻變壓器技術(shù)指標(biāo)為：輸出功率150 W，頻率172 kHz，流過(guò)原邊電流1.2 A，電壓110 V，副邊電壓400 V。兩個(gè)變壓器繞組模型如圖1所示，1代表初級(jí)繞組，2代表次級(jí)繞組，其中（a）為3根導(dǎo)線(xiàn)并繞的初級(jí)繞組，（b）為初級(jí)繞組以銅箔繞制，次級(jí)均為漆包銅導(dǎo)線(xiàn)繞制。模型（a）為常規(guī)的高頻變壓器繞組模型，即繞組類(lèi)型是一樣的，均為漆包線(xiàn)繞制；而模型（b）為本次所要研究的新模型，即繞組類(lèi)型為混合型，一部分是漆包線(xiàn)有一部分是銅箔共同構(gòu)成整個(gè)繞組。

變壓器原、副邊繞組之間不可能完全耦合，避免不了會(huì)產(chǎn)生漏感。漏感的計(jì)算公式為：

圖1 變壓器繞組模型Fig.1 2D model of transformer winding

式中P代表漏磁能量，H表示原副邊繞組之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，Iin表示繞組流過(guò)的電流，V表示繞組體積，μ表示磁導(dǎo)率。通過(guò)公式可以看出，當(dāng)繞組通過(guò)電流的大小被確定后，影響漏感大小的因素只有繞組層間的磁場(chǎng)強(qiáng)度[6]。因此要想降低漏感，只能是改變繞組布局降低層間的磁場(chǎng)強(qiáng)度H。磁場(chǎng)強(qiáng)度主要是初次級(jí)間電流產(chǎn)生的，只有電流大小相等方向相反才能使得磁場(chǎng)強(qiáng)度最小。因此繞組才會(huì)選擇交叉排列，并且還要考慮電流值，所以模型（a）選擇初級(jí)繞組3匝并繞。渦流損耗是由于變壓器工作在高頻下，導(dǎo)線(xiàn)的阻抗會(huì)發(fā)生很大變化，可能是工頻時(shí)的幾倍甚至的幾十倍的關(guān)系，使得渦流損耗增大，效率降低[7]。繞組的合理布局可以減小由高頻效應(yīng)帶來(lái)的肌膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)所引起的交流阻抗增加，提高效率[8]。由于初、次級(jí)繞組之間并不同時(shí)導(dǎo)通，而是通過(guò)氣隙來(lái)傳遞能量，因此當(dāng)原、副邊分別通過(guò)電流時(shí)觀(guān)察繞組的渦流損耗和漏感情況。

1.2 仿真參數(shù)比較

將圖1中的模型利用Ansoft有限元仿真軟件仿真得到繞組的渦流損耗、漏感值以及電流密度分布情況。

1）當(dāng)變壓器原邊流過(guò)電流而副邊無(wú)電流流過(guò)時(shí)，兩模型的磁力線(xiàn)及電流密度分布如圖2所示。

兩模型同時(shí)都會(huì)受到氣隙磁場(chǎng)的影響，大小相等，所以二者的損耗對(duì)比只有繞組結(jié)構(gòu)形式不同這一因素。變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)對(duì)周?chē)膶?dǎo)體產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電流。從圖2中可以看出當(dāng)變壓器原邊流過(guò)電流時(shí)會(huì)在副邊感應(yīng)出電流，（a）中最大的感應(yīng)電流密度為0.7 A/mm2，（b）中為0.35 A/mm2。窗口中有漏磁通對(duì)周?chē)睦@組也會(huì)帶來(lái)影響，造成電流分布不均。圖2（a）中原邊3匝導(dǎo)線(xiàn)電流密度分布不均勻，最大值與最小值相差2倍左右；反觀(guān)（b）中電流分布很均勻。在高頻情況下，導(dǎo)線(xiàn)的臨近效應(yīng)起主要作用，使得并聯(lián)的3根導(dǎo)線(xiàn)無(wú)法均勻流過(guò)相等的電流。二者造成的渦流損耗自然不同，分別為730.17 mW和668.49 mW。二者層間最大磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為850 A/m和400 A/m，根據(jù)公式1可知漏感值取決于H，因此（b）模型漏感值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于（a）模型的值。漏感小則對(duì)周?chē)骷约拜敵龅碾娔艿碾姶鸥蓴_就小，損耗小，效率得以提高。

2）當(dāng)副邊流過(guò)電流而原邊無(wú)電流流過(guò)時(shí)，兩模型的磁力線(xiàn)及電流密度分布如圖3所示。

從圖3可以看出當(dāng)變壓器副邊流過(guò)電流時(shí)會(huì)在原邊產(chǎn)生感應(yīng)電流，最大值均為1 A/mm2左右。流過(guò)電流的繞組電流密度分布也都均勻，二者由于采用不同結(jié)構(gòu)繞組，所以渦流損耗是不一樣的，分別為669.31 mW和636.21 mW。二者層間最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為750 A/m和700 A/m。感應(yīng)電流對(duì)二者貢獻(xiàn)的損耗幾乎相等，（b）比（a）的損耗略微小只能是由于氣隙周?chē)艌?chǎng)強(qiáng)度對(duì)圓形繞的影響更大一些，因此損耗較大。主要數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)比較Tab.1 Main parameters of the model comparison

圖2 磁力線(xiàn)及電流密度分布Fig.2 Distribution of magnetic flux and current density

通過(guò)以上仿真數(shù)據(jù)的比較可知，以銅箔和漆包導(dǎo)線(xiàn)為繞組的變壓器模型要比單純使用漆包線(xiàn)繞制繞組模型要好。因?yàn)樵谕粚由系膶?dǎo)線(xiàn)之間也有縫隙，在高頻下會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的臨近效應(yīng)和漏感損耗，產(chǎn)生更大的渦流損耗。并且大小相同的氣隙磁場(chǎng)作用在銅箔和漆包線(xiàn)上的效果也不相同，銅箔的損耗更小。布置繞組的方法很多，但是經(jīng)過(guò)仿真研究比較發(fā)現(xiàn)，將銅箔數(shù)目均等地布置在兩層繞組上比任何布置方式所帶來(lái)的渦流損耗都要小。

圖3 磁力線(xiàn)及電流密度分布Fig.3 Distribution of magnetic flux and current density

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文根據(jù)開(kāi)頭所要設(shè)計(jì)的高頻變壓器技術(shù)指標(biāo)，選定磁芯為PC40系列的EE30/14/13型號(hào)。初級(jí)繞組匝數(shù)14匝，次級(jí)繞組匝數(shù)42匝，漆包線(xiàn)直徑0.35 mm，銅箔厚度0.3 mm。根據(jù)圖1中a、b兩個(gè)繞組模型制作出變壓器試驗(yàn)樣機(jī)，應(yīng)用在小功率變換器中，如圖4所示。

圖4 小功率變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.4 Power converter of small experimental prototype

對(duì)兩個(gè)高頻變壓器分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較其漏感、交流電阻值的大小。如表2所示：

表2 漏感和電阻實(shí)驗(yàn)值比較Tab.2 Leakage inductance and Resistance of experimental data

從表2中可以看出，兩變壓器模型原邊漏感值和電阻值都相差很大，在運(yùn)行過(guò)程中帶來(lái)的渦流損耗值是不一樣的。通過(guò)測(cè)試模型a和b的渦流損耗分別為3.62 W和1.53 W，二者均在有效效率范圍內(nèi)，但b模型的效率更高。除效率上考慮外還要比較其輸出波形情況。本文的實(shí)驗(yàn)電路是雙管反激電路，兩個(gè)變壓器輸出的波形如圖5、圖6所示：

圖5 （a）模型中的輸出波形Fig.5 Output waveform of model（a）

圖6 （b）模型中的輸出波形Fig.6 Output waveform of model（b）

圖6中綠色代表為變壓器副邊經(jīng)過(guò)吸收二極管輸出的“饅頭波”，經(jīng)過(guò)逆變橋轉(zhuǎn)化為紅色的正弦波，圖5中顏色代表的波形正相反?？梢钥闯鲈陂_(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中“饅頭波”最低端都有干擾，正弦波輸出也受到影響，這部分干擾主要來(lái)自于變壓器漏感引起的電壓尖峰，圖5尤為明顯。相比而言，圖6要好很多，變壓器漏感小，對(duì)周?chē)碾娮娱_(kāi)關(guān)器件造成的不良影響較小，輸出電能諧波含量低。

4 結(jié) 論

基于對(duì)高頻反激變壓器繞組結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化，設(shè)計(jì)了適用于頻率172 kHz，功率150 W微型逆變器的高頻變壓器。繞組采用銅箔代替漆包線(xiàn)的方式及適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)處理，運(yùn)用有限元仿真軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，考察了銅箔和漆包銅線(xiàn)混合布置繞組的繞組模型的合理性，并通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

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