交錯(cuò)布置對(duì)高頻變壓器繞組損耗的影響

房 巖，周潔敏

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京211100)

在設(shè)計(jì)開關(guān)電源拓?fù)涞倪^程中，必不可少的重要環(huán)節(jié)就是磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。現(xiàn)代電力電子裝置逐漸向小型化發(fā)展，減小磁性元件體積的有效方法之一就是提高工作頻率，但是隨著頻率的提高，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)增加了繞組的損耗［1］。與理想變壓器不同的是，高頻變壓器都儲(chǔ)存著一些不希望的能量，例如漏感能量。漏感［2］是一個(gè)寄生參數(shù)，影響電路運(yùn)行效果并惡化效率。因此在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，有必要改變傳統(tǒng)的繞組布置方法，改變繞組結(jié)構(gòu)和工藝，達(dá)到減少高頻損耗和漏感的目的。在對(duì)一般高頻變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用繞組交錯(cuò)布置方法，文獻(xiàn)［3－4］指出，將初級(jí)與次級(jí)繞組交錯(cuò)布置可以有效減少繞組的漏感和交流損耗。

當(dāng)變壓器次級(jí)輸出大電流時(shí)，如果采用多股細(xì)線并繞，會(huì)造成填充系數(shù)較低;如果采用銅箔繞組，在允許的電流密度和集膚深度下，通常選擇繞組并聯(lián)方式。在低頻時(shí)，只要保證相同匝數(shù)繞組的直流電阻相等，就可以保證電流的均分;但在高頻時(shí)，所處磁場(chǎng)對(duì)稱比電阻平衡更為重要。在高頻變壓器中，全部電流高頻分量將在初級(jí)與次級(jí)直接面對(duì)的里層內(nèi)表面和相鄰?fù)獗砻媪鲃?dòng)［5］。文獻(xiàn)［6］提出繞組并聯(lián)時(shí)合理的布局可有效減少變壓器的漏感和交流損耗。

本文采用 Ansoft Maxwell［7］軟件構(gòu)建變壓器模型，首先對(duì)繞組交錯(cuò)布置時(shí)繞組損耗的變化進(jìn)行了詳盡的分析，其次深入研究了繞組并聯(lián)時(shí)交錯(cuò)布置對(duì)變壓器繞組的影響，最后提出一種有效減少渦流損耗的新模型方案。仿真結(jié)果對(duì)變壓器繞組的合理設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 仿真模型的構(gòu)建

Ansoft Maxwell 2D電磁場(chǎng)仿真軟件基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，在各個(gè)工程電磁場(chǎng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

本文依據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)以及電磁場(chǎng)分布的對(duì)稱性，在分析前作如下設(shè)定:

1)由于EE型變壓器在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，2D計(jì)算模型取整個(gè)變壓器模型的一半。

2)設(shè)定渦流場(chǎng)求解器，分析受渦流、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)影響的系統(tǒng)。

2 高頻變壓器繞組布置分析

為減少變壓器交流電阻損耗，應(yīng)盡量減少繞組的層數(shù)。每層匝數(shù)盡量多，要求窗口寬度盡量寬。但是對(duì)于EE型磁芯不可能象環(huán)形磁芯的窗口寬度那樣寬，因此匝數(shù)較多時(shí)不可避免地需要多層繞制，這時(shí)就需要考慮多層繞組的合理排列以減少繞組損耗。變壓器繞組交錯(cuò)布置時(shí)，初、次級(jí)在結(jié)構(gòu)上耦合度提高，磁芯窗口中的磁場(chǎng)能量降低，對(duì)應(yīng)的漏感能量降低;初、次級(jí)電流的補(bǔ)償效應(yīng)在一定程度上使得導(dǎo)體的電流密度減小，電流在導(dǎo)體內(nèi)部分布更為均勻，有效降低繞組溫升。現(xiàn)利用有限元分析方法，對(duì)一個(gè)初級(jí)流過1．2 A交流電、次級(jí)流過12 A交流電、工作頻率在200 kHz的鐵氧體變壓器進(jìn)行分析。

2．1 繞組布置方式理論分析

圖1為變壓器繞組布置的4種方案，初、次級(jí)均由兩層繞組構(gòu)成。圖1中各繞組處于低頻磁場(chǎng)場(chǎng)合，P表示初級(jí)繞組，S表示次級(jí)繞組，“叉”和“點(diǎn)”分別表示不同的電流方向，H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度。由圖1可以看出繞組交錯(cuò)排列的優(yōu)勢(shì)

圖1 變壓器繞組排列的4種方案

1)圖1a中，初級(jí)磁動(dòng)勢(shì)隨著安匝數(shù)的增加而增大，在初、次級(jí)繞組的交界面達(dá)到最大值后開始不斷減少，在次級(jí)繞組外邊緣減少到零，產(chǎn)生較大的鄰近效應(yīng)和漏感。

2)圖1b為三明治繞組結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中最大磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，且在繞組中心減少到零，因此有效層數(shù)僅為總次級(jí)繞組層數(shù)的一半。且這種繞制方法減少了一個(gè)線圈絕緣和外接線。圖1c中磁場(chǎng)強(qiáng)度變化情況與圖1b效果相似，可以大大降低漏感和交流損耗。

3)圖1d進(jìn)一步對(duì)多層繞組分段繞制。同理，還可以分成(1/3)P－(1/2)S－(1/3)P－(1/2)S－(1/3)P等，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度降低到1/9。但是進(jìn)一步增加交錯(cuò)排列段數(shù)對(duì)性能改善是有限的，而且隨著繞組分段太多，繞制工藝?yán)щy，絕緣增加造成屏蔽困難，窗口填充系數(shù)降低，層間電容更大。

繞組交錯(cuò)排列時(shí)，窗口中最大磁場(chǎng)強(qiáng)度比不交錯(cuò)排列時(shí)減小，對(duì)應(yīng)的漏感能量減小，這種效應(yīng)在高頻場(chǎng)合下依然存在。

2．2 繞組布置方式仿真分析

根據(jù)上述理論分析，分別對(duì)4種方案進(jìn)行有限元仿真。4種方案的幾何模型如圖2所示，4種方案的層間磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖3所示(分別以圖2幾何模型中線為分析路徑)，4種方案繞組層間電流密度如圖4所示(分別以圖2幾何模型中線為分析路徑)。

圖2 4種方案的幾何模型

通過對(duì)4個(gè)方案的層間磁場(chǎng)強(qiáng)度分析，方案1的最大值約為方案2與方案3的2倍，方案4值略小。圖1為低頻工作時(shí)的理論分析圖，當(dāng)工作頻率提高時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度圖略發(fā)生變化，但數(shù)據(jù)走向符合基本理論。需要說明的是，考察路徑為變壓器中部，且數(shù)據(jù)都設(shè)在第一象限沒有負(fù)值，因此方案2、方案4的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖與理論圖略有不同。電流密度曲線圖中正負(fù)值代表電流的流向，電流垂直于紙面向外為正值。繞組未交錯(cuò)排列時(shí)，如圖3a所示，從最左側(cè)導(dǎo)體層看起，由于鄰近效應(yīng)，電流集中在導(dǎo)線的最右邊。對(duì)第二層導(dǎo)線進(jìn)行分析，若導(dǎo)線中沒有電流，第一層的交變磁場(chǎng)將在第二層產(chǎn)生渦流損耗，使第二層最左邊邊緣集膚深度內(nèi)產(chǎn)生與第一層最右邊大小相等方向相反的電流，才能保證第二層中心磁場(chǎng)和電流為零。在第二層最右邊初級(jí)安匝應(yīng)全部加在窗口寬度上，在集膚深度內(nèi)除了和第一層相同的電流外，還要流過第二層最左邊相等但方向相反的電流，即在第二層最右邊流過兩倍第一層同向的電流，還流過與第一層相等但反向的電流，保證靜電流仍然與第一層相同。同理，第三、四層即次級(jí)繞組電流情況也是這樣。比較圖3中其他電流密度分布，可見采用交錯(cuò)布置的方法窗口漏磁場(chǎng)減小，繞組電流密度最大值也減小，繞組受鄰近效應(yīng)的影響也減小。以方案2為例，繞組方式(1/2)P－(1/2)S－(1/2)S－(1/2)P，從仿真圖4中可以清楚看出，在一、次級(jí)繞組之間靠近的地方電流密度最大，然后向外呈指數(shù)下降，這是由于考慮了集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)的關(guān)系，使得導(dǎo)體電流擠在兩導(dǎo)體接近的一邊。對(duì)于多層線圈來說，導(dǎo)線直徑為幾倍集膚深度時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)部存儲(chǔ)能量很少或沒有，高頻時(shí)減少了漏感，但是損耗增加太多，鄰近效應(yīng)比集膚效應(yīng)引起更嚴(yán)重的交流損耗。圖5的渦流損耗值數(shù)據(jù)說明采用繞組交錯(cuò)技術(shù)，降低了最大磁場(chǎng)強(qiáng)度和空間磁場(chǎng)能量，也大大降低了繞組的渦流損耗。方案2、方案3和方案4的數(shù)據(jù)表明，進(jìn)一步增加交錯(cuò)段數(shù)對(duì)性能的改善是有限的，一般采用三明治結(jié)構(gòu)，便可獲得滿意結(jié)果。

圖3 4種方案的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

圖4 4種方案的電流密度曲線圖

圖5 4個(gè)方案的渦流損耗值

3 繞組并聯(lián)布置方式

根據(jù)上述分析，繞組交錯(cuò)布置有效減小了渦流損耗，改善了導(dǎo)體中電流分布，減少了鄰近效應(yīng)的影響。為了減少并聯(lián)繞組的交流損耗，仍可采用交錯(cuò)布置方法，達(dá)到并聯(lián)繞組的均流優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)利用有限元分析方法，對(duì)一個(gè)初級(jí)流過1．6 A交流電、次級(jí)流過12．8 A交流電、工作頻率在200 kHz的變壓器進(jìn)行分析。分別建立4種方案的幾何模型。方案1為傳統(tǒng)簡(jiǎn)單并聯(lián)情況，初、次級(jí)側(cè)繞組分別為2層，初級(jí)繞組每匝4股并繞，次級(jí)繞組為2條銅箔并聯(lián)。方案2為交錯(cuò)并聯(lián)，在方案1的基礎(chǔ)上將初、次級(jí)繞組交錯(cuò)排列。方案3是將方案2中的初級(jí)繞組并聯(lián)的4根導(dǎo)線分開放置，2根放置在第一層上，另2根放置在另一層上，次級(jí)繞組不變。方案4提出一種新型模型，將初級(jí)4根并聯(lián)導(dǎo)線分別放置在3層上面，布置為1－2－1結(jié)構(gòu)。

4種方案的仿真幾何模型如圖6所示，層間磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖7所示(分別以圖6幾何模型中線為分析路徑)，繞組電流密度如圖8所示(分別以圖6幾何模型中線為分析路徑)。

通過對(duì)以上渦流場(chǎng)的仿真結(jié)果分析可知:

1)方案1的層間磁場(chǎng)強(qiáng)度約最大值約為1．18 kA/m，方案 2 約為 0．78 kA/m，方案 3 約為0．59 kA/m，方案 4約為 0．58 kA/m。方案 1為傳統(tǒng)的并聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)，交錯(cuò)繞制結(jié)構(gòu)的層間磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值要比傳統(tǒng)模型小很多，且各繞組間磁場(chǎng)強(qiáng)度分布更為均勻。

圖6 4個(gè)方案的幾何模型

圖7 4種方案的層間磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

圖8 4種方案的電流密度曲線圖

2)傳統(tǒng)并聯(lián)繞制方法的電流在高頻條件下分布極其不均勻，最大值幾乎是最小值的10倍，二次側(cè)最右邊銅帶中電流密度值很小，增加了繞組的交流阻抗，造成很大的渦流損耗，增加溫升。溫升過大時(shí)會(huì)影響變壓器的使用壽命，對(duì)周圍的元器件也造成影響。通過交錯(cuò)排列技術(shù)能有效改善電流密度的不均勻分布，減小鄰近效應(yīng)的影響。經(jīng)過進(jìn)一步的交錯(cuò)排列，觀察圖8d新模型方案，各層繞組電流密度分布已很均勻，每層繞組內(nèi)電流密度變化較小。圖9中4種方案的渦流損耗值也說明了這一結(jié)論，新模型并聯(lián)均流方案各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)模型，更有利于減小渦流損耗。

圖9 4個(gè)方案的渦流損耗值

4 結(jié)束語

本文針對(duì)高頻變壓器中傳統(tǒng)繞組布置方法交流損耗和漏感大的缺點(diǎn)，分析了變壓器繞組不同布置方式的特點(diǎn)，得出交錯(cuò)布置為最優(yōu)方案，并將此方法應(yīng)用于繞組并聯(lián)模型中，獲得新的并聯(lián)均流方案。經(jīng)電磁場(chǎng)有限元分析方法驗(yàn)證，該方法有效且可行。

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