高頻交流隔離變壓器設計分析

摘 要：變壓器屬于各種電路中應用較為普遍的設備之一，通過變壓器的使用可以將電路中電壓降低或者放大到所需要的電壓級數，滿足電路中其他設備使用。高頻交流隔離變壓器屬于常用變壓器的一種，其應用較為廣泛，文章以PET變壓器（電力電子變壓器）為例，分析變壓器設計的注意事項及具體設計。

關鍵詞：變壓器;高頻;交流;PET

PET變壓器主要為一種采用高頻開關與PET材料實現的電壓傳輸與變化裝置，與傳統的變壓器相比，PET材料具有重量輕、供電穩定、體積小、控制靈活、成本低等特點，對于變壓器質量提升與變壓器應用推廣具有重要意義。在實際應用中PET變壓器主要為高壓輸入、低壓輸出，通過其變壓器實現電氣隔離和降壓的目的。

一、 變壓器設計的注意事項

相關設計人員在PET變壓器設計上需要遵循以下幾個注意事項，以確保設計質量：（1）線圈損耗情況。在PET變壓器設計過程中，設計人員需要考慮在高頻下線圈的具體損耗情況，由于交流電阻增大幅度相對比較大，對于變壓器溫升與損耗的影響相對也比較大，故設計人員需要考量高頻背景下電阻增大情況，為線圈設計提供相應參考數據。（2）工作電路考慮。高頻變壓器主要的運行環境為放大電路，是構成放大電路的重要組成部分，故設計人員在PET變壓器設計過程中，一定要充分考慮變壓器所在電路的具體情況，以保證變壓器可以充分與電路融合，保證變壓器各項參數的準確性與有效性。在變壓器相關匝數比、負載阻抗等方面設計上，需要遵循相應阻抗匹配原理，以確保變壓器負載阻抗與輸出功率符合其所在電路實際需要。（3）銅芯的選擇。PET變壓器的主要磁性材料包括氧體（軟磁鐵）材料、合金（超微晶）材料兩類，材料選擇不同，變壓器的性質也有所不同，因此在設計過程中，相關設計人員需要根據PET變壓器實際需要，適當選擇所需要的銅芯材料，確保變壓器整體質量。在銅芯材料選擇上，技術人員可以根據飽和磁感應強度、變壓器工作頻率、電氣參數等具體情況進行選擇。例如，當變壓器工作頻率在100kHz以內，則可以選擇Mn—Zn氧體材料，當變壓器工作頻率在1MHz時，則可以選擇Ni—Zn氧體材料。

二、 PET變壓器（電力電子變壓器）設計

（一）PET變壓器基本原理

根據電力電子變壓器的具體情況，選擇以推挽拓撲電路為基礎，進行變壓器設計。之所以設計人員選擇推挽拓撲電路的PET變壓器是因為此種電路變壓器磁芯線相對利用率較高，電路結構較為簡單，相對PET變壓器設計難度較小。推挽型電路拓撲結構主要應用在功放電路之中，通常其可以采用MOSFET管或BJT管，通常為MOSFET管（參數相同）或BJT管（參數相同）2個，主要用來實現負半周與正半周相應放大波形任務。當電路運行過程中，2個管只有一個導通，所以導通效率高、損耗小。

設計人員設計PET變壓器推挽拓撲電路結構如下圖1，該PET變壓器輸出電流為220V，輸入電流為10V。從下圖可以看出T1為PET變壓器，用于隔離和降壓;BS1、BS2兩組雙向開關（高于1kHz頻率，50%占空比）是PET變壓器功率（前級）電路的主要構成部分，其用為將電網（前級）側的工頻電壓（50Hz）斬波轉變為相對應的高頻電壓，并將轉化后的高頻電壓輸入到PET變壓器的前級線圈;電容C1和電感L1構成濾波器（網測），主要作用為濾波;電容C2和電感L2組成濾波電路的后級設計，電路負載為RLC1;BS3—BS6（高于1kHz頻率，50%占空比）雙向開關構成了單相矩陣—單相變換器，雙向開關成對組形式，其主要作用為將已經經過T1降低的交流電壓再一次還原成所需要的工頻交流電壓，為負載（后級）提供所需要的電力，其中BS4、BS5驅動脈沖一致為一組，BS3、BS6雙向開關為一組兩者驅動脈沖一致。

圖1 PET變壓器推挽拓撲電路結構圖

PET變壓器推挽拓撲電路變壓實現的原理如下：前級變換器的AC-AC（交流—交流）與常見的電路不同，其交流電壓（工頻）轉換為高頻交流電壓地實現，主要是通過雙向開關兩組與變壓器繞組抽頭（額外）實現的。由于兩組雙向開關的信號（控制）屬于矩形高頻脈沖信號，且還是相互互補導通的，因此設計了50%占空比的開關兩組。變壓器電壓變化情況與交流電壓所處半周有很大關系，當處于負半周時，變壓器上端電壓高如果高，是因為電路中左側開關（雙向）導通，反之當變壓器下端電壓高，是因為電路中右側開關（雙向）導通;如果交流電壓所處正半周時表現出來特點與負半周完全相反，變壓器上端電壓高如果高，是因為電路中右側開關（雙向）導通，反之當變壓器下端電壓高，是因為電路中左側開關（雙向）導通。在電路結構中，觸發脈沖頻率（所用）要高于工頻，以保證所有經過AC-AC電路的輸出端交流電壓屬于高壓電流，實現高頻電壓變化，并將經過變壓器轉換的電壓輸入給T1初級線圈。

（二）PET變壓器仿真測試

設計人員利用Matlab/Simulink以圖1為依據，設計仿真電路，仿真過程中忽略開關損耗，輸入交流10kV電壓，0.25mH濾波電感，5μF電容，Pulse Generator模塊產生仿真電路中高頻交流電壓頻率的脈沖信號頻率為5kHz。仿真測試結果為輸入電壓波形與電流波形的相位基本一致，說明該交流推挽電路可以有效確保該電路質量。

三、 結束語

高頻交流隔離變壓器設計需要注重一定的注意事項，且在實際設計過程中，技術人員要充分結合電路的具體情況，全面分析設計變壓器的具體運行原理等，并做好其所處電路的仿真測試，全面確保變壓器設計質量。

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作者簡介：

卞冬冬，江蘇電老虎工業互聯網股份有限公司。