基于寬幅壓條件下的高頻變壓器設計

戴米格

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基于寬幅壓條件下的高頻變壓器設計

戴米格

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

本文主要是針對寬幅壓的條件下，借助AP法對高頻變壓器進行了設計，使實驗搭建的樣機能夠在175-320 V的寬幅壓范圍內保持較好的穩定性。并利用Ansoft與Simplorer的聯合仿真方法得出在寬幅壓條件下的高頻變壓器的仿真波形。

AP法 高頻變壓器

0 引言

電力電子逆變電源在我國已經得到廣泛應用，但目前已使用的逆變電源是通過PWM逆變器實現直流到工頻交流電的電能轉換，經過工頻變壓器隔離、變壓，再通過LC濾波輸出交流正弦波，而此時的變壓器為工頻變壓器，體積比較大，主要是用于隔離作用。經過調查研究發現，變壓器的體積與功率、工作頻率相關。因此，提高工作頻率成為減小變壓器體積的一個有效途徑。隨著高性能材料的推出和現代電力電子技術的發展，通過大幅提高變壓器的工作頻率來大幅減小變壓器體積已經成為可能[1]。工作頻率的提高，不僅讓高頻變壓器在體積上比工頻變壓器有所減少，繞組線圈數量也隨之減少，且相應地可以減小銅損。變壓器設計需要考慮電壓、電流、頻率、溫度、磁材料參數、損耗等，本次設計的變壓器要在175-320 V寬幅壓條件下工作，輸入輸出電流較大，所以對磁芯材料及磁芯形狀的選擇都有較高要求。

高頻變壓器設計分兩大步驟：先確定磁芯材料、磁芯結構、磁芯參數、線圈參數，再核算設計的合理性。具體的高頻變壓器設計指標如下表1。

表1 高頻變壓器設計指標

在此設計指標基礎上，對高頻變壓器進行設計，以達到指標要求。

1 高頻變壓器設計過程

1.1 高頻變壓器材料選擇

制作高頻逆變器所需的材料應當充分考慮變壓器工作磁場強度、工作頻率、工作狀態（波形）以及磁材料的磁性能。在實際應用中，高頻變壓器的磁芯磁導率要高，當磁場強度()一定時，根據磁感應強度=，越大，磁感應強度越大，線圈就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出功率一定的情況下[2]，可以降低外磁場的勵磁電流值，從而降低磁元件的體積；磁芯要有較高的電阻率，高電阻率可以減小渦流損耗，甚至可以忽略不計損耗。

目前市場上變壓器使用的磁芯材料有兩大類：鐵氧體磁芯和合金類磁芯。各種磁材料的性能比較見表2：

表2 磁材料的性能比較表

從變壓器的性能指標要求可知，傳統的硅鋼片、鐵氧體材料雖然性價比較高且性能穩定，但已很難滿足變壓器在高頻及各種實際的特殊環境條件下的設計要求。磁芯的材料只能在合金類磁芯材料中選擇，但鐵鎳合金、鉬坡莫合金飽和磁感應強度Bs為非晶態合金、超微晶的2/3左右，且加工工藝復雜。非晶態合金即金屬玻璃，是一種壓穩態材料，目前普遍采用單輥快淬法制作，其條帶厚度一般不大于30 μm；超微晶又稱納米晶，可在非晶態合金的基礎上經過晶化退火處理后獲得，也是薄帶條狀。薄帶有利于在高頻條件下使用，因此，綜合磁性材料表2的各材料性能，選擇飽和磁感應強度高，溫度穩定性好，價格適中的非晶合金實現高頻變壓器的設計。

1.2 磁芯參數計算[3]

變壓器磁芯幾何尺寸的計算有兩種常用方法[4]：第一種是面積乘積法，即先求出磁芯窗口面積和磁芯有效截面積的乘積（，稱磁芯面積乘積）然后根據值查表找出所需磁芯材料的編號，從而確定磁芯幾何尺寸，又稱法；第二種是幾何參數法，即先求出幾何參數，查表找出所需磁芯材料的編號，再進行設計，稱為法。本文詳細討論高頻變壓器的法設計。

整理得：

每匝所占用面積與流過該匝的電流值和電流密度有關，如下式所示：

整理得：

將式(7)代入式(6)可得：

整理得：

變壓器視在功率P的值隨著線路不同而不同。如圖1所示：

線路a理想時（即變壓器效率=1時）。

實際（即<1）

線路b理想時（即=1）

實際（即<1）

線路c理想時（即=1）

實際（即<1）

窗口使用系數K0是表征變壓器或電感器窗口面積中銅線實際占有的面積量。K0與主要線徑、繞組數有關，一般典型值取K0=0.4。

本次設計的變壓器副端為全波整流電路結構，視在功率與輸出功率的關系如式(12)所示，變壓器效率取0.95，得PT=20526 W；查表3，當升溫50℃時，Kj=468，X=-0.14，磁通變化的變壓器原邊電壓為方波，故波形系數Kf=4，窗口系數K0=0.4；非晶合金的飽和磁感應強度Bs約為1.6T，磁芯材料工作在高頻條件下時，鐵芯損耗比較大，同時還要考慮高頻變壓器尖峰電壓等因素變壓器設計時可以適當減小B值，以減小鐵心損耗和防止過壓；B值都是根據高頻變壓器設計要求選定的，只要在非晶合金材料的B-H曲線的線性區域即可，本文的變壓器工作在175-320 V電壓下，所以設定變壓器在175 V時，選定BW值為0.2 T，保證變壓器在尖峰電壓下和較大電壓條件下不會進入磁飽和狀態。工作頻率f=10 kHz，由式(10)可算得=301.02 cm4。

表3 磁芯結構常數

1.3 線圈參數計算

由于實驗要求變壓器工作在175 -320 V的寬幅壓條件下，所以本文變壓器取變比1，所以原邊參數與副邊參數相同。

線圈匝數：

取整20匝繞阻電流值：

電流密度：

繞阻裸線面積：

因為變壓器是在高頻下工作，故電流的集膚效應和臨近效應對高頻狀態下的變壓器影響很大，為了減小這一影響，降低繞組損耗，選擇的導線半徑要小于集膚深度。

因此采用直徑為0.109 cm的AWG18導線，且32股并繞。變壓器邊比為1:1，所以副邊匝數也取20匝，同時導線的參數及繞制與原邊相同。

1.4 設計核算

磁芯CD25-55-85的外形結構如圖2所示，窗寬為40 mm，窗高為85 mm，32股AWG18導線并繞的直徑為6.17 mm，20匝線繞雙層，每層各10匝即可完成。

圖2 單相C型鐵芯外形結構圖

2 仿真模型的建立

2.1 仿真模型

利用Ansoft仿真軟件在二維瞬態場中建立變壓器幾何模型、設定材料屬性、指定邊界條件、網格剖分、設定求解選項，變壓器激勵源使用外置電路[6-8]。變壓器模型繞組匝數設置為10匝，變比為1；變壓器的鐵芯使用鐵基非晶合金材料，最大磁感應強度為1.6 T，在Material選項中自定義廠家提供的B-H曲線參數，一、二次繞組均采用銅導線繞組即Ansoft自帶的Copper材料；模型的網絡剖分大小對仿真結果的精確度有很大影響，文中各區域均分配1 mm。分析采用Ansoft Maxwell 12與Simplorer 8聯合仿真方式，仿真時間設為100 ms、求解時間為2 μs，場信息保存時間步長為1 ms(Ansoft與Simplorer 的仿真時間要同步)，如圖3所示。

2.2 仿真波形

為了驗證本次設計的可行性，在實驗搭建的樣機對設計的高頻變壓器進行測試。利用Ansoft仿真軟件在二維瞬態場中建立變壓器幾何模型、設定材料屬性，變壓器激勵源使用外置電路[6-8]。變壓器在高頻開關作用下產生尖峰電壓，特別是在前五個周期產生的尖峰電壓脈沖較高。這也是直流輸入干線的信號干擾源之一。實際電路設計中需要對功率開關管增加RC緩沖電路，這樣不僅能減小電路諧波，還能延長功率開關管使用壽命。如圖4是變壓器初級電壓仿真波形，圖5是變壓器次級電壓仿真波形：

圖3 系統仿真模型

圖4 變壓器初級電壓仿真波形

變壓器在高頻開關作用下產生尖峰電壓，特別是在前五個周期產生的尖峰電壓脈沖較高，這也是直流輸入干線的信號干擾源之一，實際電路設計中需要對功率開關管增加RC緩沖電路，這樣不僅能減小電路諧波，還能延長功率開關管使用壽命。

圖5 變壓器次級電壓仿真波形

3 結論

本文通過材料選擇，磁芯參數計算、線圈參數計算以及設計核算對寬幅壓條件下工作的高頻變壓器進行了設計。根據實驗所需樣機參數要求選擇材料為鐵基非晶軟磁合金的CD25-55-85磁芯，計算線圈參數和計算變壓器的損耗，并通過Ansoft Maxwell 12與Simplorer 8聯合仿真方式研究了高頻變壓器的電磁特性，所設計的變壓器能夠較好得在175-320 V的寬幅壓條件下正常工作。

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Design of High-Frequency Transformer in a Wide Input Voltage

Dai Mige

(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031，China)

TM433

A

1003-4862（2019）07-0029-06

2018-03-27

戴米格（1996-），女，助理工程師。研究方向：船舶工業，電力工業，機械工業。E-mail: 1527432143@qq.com