許志偉，許智萌，劉志華

(湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411101)

0 引言

高頻變壓器是電力電子變壓器(Power Electronic Transformer簡稱PET)的中間隔離級部分，高頻隔離變壓器的作用是將電力電子變壓器一次側升頻所帶來的高頻交流高壓方波耦合到二次側[1].高頻變壓器具有隔離和傳輸功率的重要作用，是電力電子變壓器的核心器件.PET在電力系統(tǒng)領域的應用研究包括改善電網電能質量、改善電力系統(tǒng)動態(tài)特性、分布式電網并網應用、柔性交流輸電系統(tǒng)應用等[1].隨著電力電子器件的快速發(fā)展，要求設備磁性材料做到小型化、高效化，變壓器體積與工作頻率是成反比的，提高變壓器工作頻率可有效減小其體積.高頻變壓器可用在高開關頻率的電路中，用以減小開關電源輸出電壓的波紋，使其變得平滑.高頻開關電源與傳統(tǒng)的線性電源相比，不僅提高了開關頻率，還大大提高了高頻濾波技術，已被推廣至各個行業(yè)中[2].與傳統(tǒng)變壓器相比，高頻變壓器無論是在工作頻率，還是鐵芯材料等方面[3]都具備很大優(yōu)越性.盡管在變壓器鐵芯結構、材料、繞組布局等方面做了許多改進，但是變壓器的基本工作原理仍然沒有改變，還是根據電磁感應定律，通過不同的鐵芯形狀及導磁材料實現(xiàn)交流電能的變換及隔離[4].

文獻[5]研究一種納米晶磁性材料高頻變壓器的損耗特性，并提出一種基于流量波形系數(shù)Steinmetz方程的磁芯損耗計算方法，采用了納米晶磁性材料，測量了鐵芯損耗密度，其飽和流體密度隨著溫度升高而降低的特性有利于高密度材料的電磁設計.文獻[6]針對電力開關電源進行了分析，提出了導通與關斷時，電感儲能以防止磁飽和現(xiàn)象的觀點.文獻[7]利用有限元分析方法，研究了三種不同程度的交叉換位方式以及繞組層數(shù)對漏感的影響，提出了交叉換位程度越高，漏感下降地越明顯的觀點，并提出了高頻變壓器漏感及繞組損耗的控制方法.文獻[8]分析了高頻變壓器漏感在電源工作中的影響，并提出了一系列抑制漏感影響的措施.

本文針對高頻變壓器，在ANSOFT環(huán)境下[9-10]，研究繞組采用交叉式繞制方式、錳鋅鐵氧體鐵芯和提高工作頻率對漏電感的影響.通過使用三維有限元法，從減小漏感的角度，采用對比分析及控制變量法對高頻變壓器漏感進行了詳細的分析，從而確定最合適的高頻變壓器漏電感減小方案.

1 高頻變壓器結構及其漏感產生的機理

1.1 高頻變壓器結構及其建模

本文中高頻變壓器為雙繞組結構，兩個繞組分布在“口”字型鐵芯的兩側，如圖1所示.鐵芯材料作為導磁材料，在高頻變壓器中起著至關重要的作用，選用什么樣的鐵芯材料，會直接影響高頻變壓器的性能[11][12]，表1為一些高頻變壓器鐵芯材料的參數(shù)，本文用錳鋅鐵氧體和硅鋼作為高頻變壓器的鐵芯材料來進行對比分析.

圖1 高頻變壓器結構示意圖

表1 高頻變壓器鐵芯材料

高頻變壓器由初級繞組和次級繞組，其繞制方式、布局可以分為三種，分別是簡易繞制結構、三明治繞制結構以及交叉繞制結構.將初級側繞組和次級側繞組分開然后分別進行繞制的是簡易繞制結構；三明治繞制結構是兩層夾一層的繞法，根據中間一層繞組的不同，還可將三明治分為初夾次、次夾初兩種繞法；交叉繞制結構顧名思義，就是將初級繞組與次級繞組交叉在一起繞制的一種結構[13].對鐵芯及雙繞組進行網格剖分如圖2所示.由于三明治繞制結構多發(fā)生在初次級繞組繞制鐵芯為同心柱的情況下，而本文討論的高頻變壓器鐵芯為“口”字型鐵芯，因此本文采用簡易繞制結構與交叉繞制結構進行對比分析.

圖2 鐵芯與繞組的網格剖分示意圖

1.2 漏感產生的機理

在高頻變壓器的負載運行過程中，初級繞組與次級繞組的一部分磁通沒有被耦合，而是發(fā)散在空氣中并形成了自己的閉合回路，這部分磁通叫“漏磁通”，該磁通產生的電感就是漏電感[14].

計算高頻變壓器漏感的主要方法有兩種:一是磁路法，二是能量法.這兩種方法的計算思路不同，磁路法是要求先求出漏磁鏈，根據它的表達式進而再求出漏電感的大??；能量法則是根據漏磁場的總能量去求漏電感的值.本文采用能量法計算漏感，表達式如下[15]：

(1)

(2)

其中，W為漏磁場總能量，L為漏電感值，I為激勵電流值，B為磁感應強度，H為磁場強度，V為計算磁場區(qū)域.由式(1)與式(2)，通過移項可以得出漏電感的表達式：

(3)

再由磁感應強度B與磁場強度H之間的關系，有：

B=μ0H

(4)

結合式(3)與式(4)得出漏電感最終表達式(5)為：

(5)

2 繞組繞制結構對漏感的影響

2.1 繞組簡易繞制結構與交叉繞制結構

繞組簡易繞制也被稱為無交叉繞制，這種方式將初級繞組與次級繞組分開進行繞制在同一鐵芯上，使其各自能獨立工作，簡單易操作.如圖3所示，藍色部分代表兩個獨立的繞組線圈，即初級繞組和次級繞組，黑色部分代表鐵芯.如圖4所示，紅色部分代表初級繞組與次級繞組，二者相互交叉重疊.

圖3 繞組簡易繞制結構示意圖

圖4 繞組交叉繞制結構示意圖

2.2 繞組繞制結構對漏感影響的仿真

采用控制變量法進行研究，繞組材料采用銅，鐵芯采用鐵氧體材料，工作頻率設定為10 kHz，為得到漏磁場的總能量，在高頻變壓器的初次級繞組中分別加入等大反向的安匝電流1 A，如圖5(a)、圖5(b)所示，使得繞組線圈在鐵芯中產生的主磁通相互抵消，然后剩下的磁場就是漏磁場，最后再通過漏磁場的能量來計算漏感[15].

圖5 繞組電流方向示意圖

首先采用繞組簡易繞制方式，經過仿真計算得出高頻變壓器漏磁場的總能量為2.4783×10-7J,如圖6所示.

將其帶入式(1)與式(2)，可得：

再將激勵電流值I=1 A帶入上式，可得：L=495.66 nH，繞組簡易繞制高頻變壓器磁場分布圖如圖7所示.

圖6 繞組簡易繞制高頻變壓器漏磁場總能量

圖7 繞組簡易繞制高頻變壓器磁場分布圖

接下來再采用交叉繞制方式，經過仿真計算得出高頻變壓器漏磁場的總能量為6.1625×10-8J,如圖8所示.

圖8 繞組交叉繞制高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=123.25 nH，兩種繞組繞制方式，后者漏感減小了3/4.繞組交叉繞制高頻變壓器磁場分布圖如圖9所示.

圖9 繞組交叉繞制高頻變壓器磁場分布圖

由圖7和圖9兩種繞組繞制方式的高頻變壓器磁場分布圖可知，圖中磁場分布基本相同，其中包含了主磁場和漏磁場，漏抗的大小是微乎其微的，其單位nH是10-9數(shù)量級.但從數(shù)值的角度可以看出，采用繞組交叉式繞制方式相比于采用繞組簡易繞制方式，其漏感大大減小，可知選用繞組交叉式繞制方式有助于減小漏感.

3 鐵芯材料對漏感的影響

3.1 采用錳鋅鐵氧體材料與硅鋼

錳鋅鐵氧體主要是由鐵、錳和鋅三種金屬元素構成，被制成環(huán)裝的鐵氧體磁芯截面積處處保持一致，沒有氣隙，所以，相對與普通鐵芯材料來說，其磁導率很高.

采用的錳鋅鐵氧體材料，其相對介電常數(shù)為12，相對磁導率設為各向同性且導磁性能為線性，其數(shù)值為1000，電導率0.01 s/m，密度為4600 kg/m3.

由于仿真和環(huán)境選擇的是渦流磁場，所以采用的DR510硅鋼材料，相對介電常數(shù)為1，各向同性且導磁性能為線性，其數(shù)值設為2000，材料構成設置為疊片形式，其中疊壓系數(shù)為0.97，疊壓方向設為Z軸方向.

3.2 鐵芯材料對漏感的影響的仿真

將鐵芯材料設置為錳鋅鐵氧體，繞組材料設為銅，并采用交叉式繞制方式，工作頻率設置為10 kHz的仿真結果，結果得出漏磁場總能量為6.1625×10-8J，進而得出漏感L=123.25 nH.

下面采用控制變量法，通過改變鐵芯材料來進行研究，將鐵芯材料設置為DR510硅鋼材料，其他條件保持不變來進行仿真分析，經過仿真計算得出漏磁場總能量為2.43×10-7J，如圖10所示.

圖10 DR510硅鋼鐵芯高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=243 nH.鐵芯材料采用錳鋅鐵氧體，工作效率更高，其漏磁場總能量大大減小，相應漏感也隨之減小，整體能量利用率更高，對減小分布參數(shù)漏感有很大幫助.

4 頻率對漏抗影響的仿真分析

高頻變壓器的工作頻率在10 kHz以上，通過提高工作頻率來分析高頻對漏抗的影響.通過前面的仿真計算的結果，可以得知鐵芯采用錳鋅鐵氧體材料，繞組采用銅材料并且是交叉式繞制方式的高頻變壓器在10 kHz的工作頻率下，其漏磁場總能量為6.1625×10-8J，進而得出漏感L=123.25 nH.

下面采用控制變量法，通過改變高頻變壓器的工作頻率進行研究，將高頻變壓器的工作頻率調整為100 kHz，其他條件不變來進行仿真分析，經過仿真計算得出漏磁場總能量為6.128×10-8J，如圖11所示.

圖11 100 kHz工作頻率下高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=122.56 nH.為了找出其工作頻率與漏抗之間的關系，進一步設置工作頻率為1 MHz，經仿真計算得出，漏磁場總能量為6.122×10-8J,采用曲線圖描述其規(guī)律，如圖12所示.

圖12 1 MHz工作頻率下高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=122.44 nH.從仿真結果中可以得出，高頻變壓器在一定的工作頻率范圍內，增加其工作頻率，可以使其漏抗減小.

5 結論

本文基于高頻變壓器漏感的產生機理，從鐵芯材料，繞組繞制方式及工作頻率的三個方面進行研究，提出了錳鋅鐵氧體鐵芯、繞組交叉繞制布局和提高工作頻率三種工作措施來減小高頻變壓器的漏抗.采用了3D有限元法，對高頻變壓器的漏感進行了詳細的分析.仿真結果表明，上述三種措施可以有效地減小漏感，特別是采用繞組交叉繞制方式的方法，漏感下降顯著.