研究高频变压器设计中需注意的相关问题

谭智勇 郗亮 胡细保

（许继变压器有限公司）

研究高频变压器设计中需注意的相关问题

谭智勇 郗亮 胡细保

（许继变压器有限公司）

在现阶段的社会生活中，电力系统起着不可替代的作用。而随着社会发展要求的增加和对质量严格性的提升，电力系统当中的电力元件升级换代成为了电力系统质量化发展的重要内容。就目前的研究来看，高频变压器在电力系统中发挥着重要的作用，对于电力运输的稳定性提升和利用效率的提高有着突出的意义，所以强化高频变压器的质量现实意义显著。而就高频变压器的质量探讨来看，决定其质量的一个关键环节是设计，如果设计达到科学合理，高频变压器的质量便有了很好的保证，而如果在设计中出现了问题，整个质量提升都会受到影响。基于此，为了实现高频变压器的质量提升和利用价值提高，本文就高频变压器设计当中需要注意的问题进行具体的探讨，旨在指导其设计的科学进行。

高频变压器；设计；注意；相关问题

0 引言

高频变压器是现阶段电力系统运行中利用到的重要电力设备，设备的结构、参数以及材料的性能都会影响到其具体的应用价值，所以出于高频变压器的利用价值考虑，需要对其进行详细的设计研究。目前，在高频变压器的设计中，存在着参数分析以及材料选择等方面的问题，这些问题的存在严重阻碍了高频变压器自身质量的提升，对于电力系统的完善和运行效果提高也十分不利，所以全面性地讨论高频变压器在具体设计时需要注意的相关问题十分重要。

1 设计高频变压器必须了解该变压器的所在工作电路

就目前的研究分析来看，高频变压器的工作在放大电路中进行，其属于放大器的重要组成部分，所以在高频变压器的分析和设计时，必须要将其和放大电路进行有效的结合，这样才能够更加有效和准确地确定相关的参数。举个简单的例子，在电源变压器当中，变压器的次级参数如电流、电压等是直接被规定的，但是在高频的变压器当中，需要按照阻抗匹配的原理，根据负载阻抗进行匝数比的确定，这样才能够计算出电流和电压。除此之外，电流和电压的计算就得依靠输出功率和负载阻抗。

高频变压器的具体分析方法和音频变压器存在着一致性，都是利用等效电路来进行分析的。高频变压器的等效电路和音频变压器具有相同性，唯一的不同点是其频率得到了提升。而正是因为频率提高了，所以一些参数分布就必须考虑进去，这样在具体的计算中才能够将其进行简化。

2 采用插入损耗计算变压器有关参数的方法

在进行高频变压器设计的时候，参数是需要重点考虑的内容，而要想获得合理性较高的参数，必须要通过科学的计算，所以利用插入损耗计算的方式来进行变压器有关参数的确定十分有意义。

（1）中频段插入损耗和初次级铜阻计算

在高频变压器的有关参数计算中，首先要进行的工作就是中频段的插入损耗和初次级铜阻计算。高频变压器的中频段等效电路如图1所示。

图1 中频段等效电路

所以整个中频段的插入损耗b0可以按下式进行计算：

式中，b0为中频段的插入损耗；R1为信号源的内阻；R2为换算到初级的次级负载电阻；r1为初级铜阻，r2为换算到初级的次级铜阻。将具体的数值进行代入，这样中频段的插入损耗以及铜阻值都可以得到确定。

（2）低频段插入损耗计算

在高频变压器的有关参数计算中，低频段的插入损耗计算也是一项重要的内容。就具体的分析来看，低频段的等效电路如图2所示。

图2 低频段等效电路

所以整个低频段的插入损耗bl可以按下式进行计算：

式中，Rs为初、次级回路的并联电阻；L1为初级的电感；fL为最低的工作频率。将公式进行化简，然后带入具体的数值，就可以计算出低频插入损耗值，进而确定变压器初级电感量。

（3）高频段插入损耗计算

在高频变压器器的有关参数计算中，高频段插入损耗计算也是一项重要的内容，此计算对于变压器设计来讲意义重大。就目前的分析来看，高频段等效电路如图3所示。

图3 高频段等效电路

由此可以利用公式进行高频段的插入损耗bH的计算，其具体公式为：

式中，Ls为变压器的漏感；fH为最高的工作频率。根据变压器的具体效率情况进行具体的数值带入，最终可以得到高频变压器的漏感L。而这个漏感就是在设计中需要重点注意的一个参数。

3 高频变压器的铜心选择

就目前的具体分析来看，高频变压器的磁性材料主要有非晶、超微晶合金材料和软磁铁氧体材料。这两类材料的具体特性存在着差别，所以在具体的利用方面也表现出了较大的不同。对变压器当中的各类元件进行分析发现，不同位置的元件其基本特性存在着明显的不同，所以要求的材料性能也不同，为此，要想找到合适的材料，必须细致地分析各个部件的具体要求。

（1）根据工作频率选择磁心材料

在变压器的具体工作实践中发现，高频变压器虽然同为高频，但是其具体的频率还是存在着明显的差别，所以在进行磁心材料选择的时候，需要根据工作频率进行确定。简而言之就是高频变压器的工作频率范围比较大，需要根据其具体的工作频率范围进行铁氧体磁心材料的选择，这样，磁心材料的匹配性效果会达到最佳。比如，在100kHz这个工作频率的范围内，要进行磁心的选择，最合适的材料是Mn-Zn铁氧体材料。而如果变压器的工作频率在1MHz以上，那么匹配性最好的材料则是Ni-Zn铁氧体材料。

（2）根据变压器的种类选择铁氧体磁心的品种

从目前的实践调查研究来看，高频变压器的种类多样，用途也十分丰富，而种类和用途的不同会明显地影响到铁氧体材料的选用品种，所以在进行具体的变压器铁氧体磁心品种选择时，需要对变压器的种类以及用途有一个全面细致的了解。如：高频功率的变压器在铁氧体材料选择的时候，需要保证其具有较高的饱和磁感应强度，而且材料的损耗也要比较低，所以在材料选择的时候，可以选择国产的R2KD、JP3，也可以选择进口的PC40、PC44等。

（3）根据变压器的电气参数选择适当形状的铁心

从目前的变压器具体参数分析来看，不同形状的铁氧体磁心在制成变压器之后，其电气参数会表现出明显的差异，所以为了能够获取良好的电气参数，必须要根据所需要的电气参数来进行合适形状的磁心选择。就是在充分了解各种形状磁心的参数优劣之后，为了保证电气参数而将磁心制成参数最优的形状，这样变压器的电气参数要求就能得到有效的满足。比如，变压器如果要追求较高的品质因数和较小的漏感，那么可以选用罐形的磁心或者是PQ型的磁心。而如果变压器要求损耗比较小，同时温升又比较低，这时候就可以选用ETD型的磁心。根据变压器参数进行磁心形状确定可以保证参数运行效果的优化。

（4）功率变压器的磁感应强度应根据允许损耗来确定

在实际利用的过程中发现，高频功率变压器的温升存在着一定的限制，在一般的情况下，为了达到使用效率的最优，变压器的铜损需要保持和磁心损耗的一致。完成了这样的目标，在一定温升的情况之下，高频变压器的磁心损耗便可以得到确定，而其磁感应强度则由允许的磁心损耗。在这样的工作频率下，由磁心的损耗曲线可以查得功率变压器的磁感应强度。功率变压器的磁感应强度和磁心损耗有着一定的关联性，所以从允许的磁心损耗中可以明确获得功率变压器的磁感应强度。

4 注意线圈在高频下的损耗

在高频变压器的具体利用中，因为存在着趋肤效应和邻近效应，所以高频变压器线圈的交流电阻比直流电阻要增大好多，因为交流电阻有所增加，所以其对变压器的损耗和升温会产生一定的影响，因此需要尽可能地将趋肤效应和邻近效应的影响进行减小，并在高频下计算交流电阻。

就目前的研究来看，所谓的趋肤效应主要指的是电流在高频环境下流过导线的时候，由于涡流作用的存在，电流趋向于导线表面流动的一种物理现象。从具体的影响来看，趋肤效应减小了导线的截面积，从而增加了电阻，并进一步地加大了导线的损耗。在实际利用中，要进行趋肤效应的减小，采取的有利措施是利用直径小于趋肤深度2倍的导线，并且在电流较大时采用双线、多根绞线或者是铜箔。

邻近效应指的是在多层线圈房中，因为电流通过相邻的两层导线时所产生的磁场相互作用，使得电流在两层导线接近的一边进行流动。邻近效应的出现进一步减小了导线截面积，使得有效电阻增大。从实际影响来看，其严重性比趋肤效应更强。为了减少邻近效应的影响，需要进一步地减小导线的直径，并减少绕组的层数。与此同时，还能够利用初、次级交叉绕制来减少相邻磁场所产生的邻近效应影响。

5 结束语

高频变压器在我国目前的电力系统当中有着非常重要的应用，积极地进行高频变压器的分析，从而保证其设计质量可以进一步地提高高频变压器的应用性能。就目前的研究来看，高频变压器在设计中需要重点考虑四个方面的问题，一是高频变压器和所在电路的适应性，二是高频变压器的相关运行参数，三是高频变压器的铜心选择，四是线圈在高频环境下的损耗。积极地分析这四个方面应该要注意到的问题，可以全面性地提升高频变压器的设计质量。

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2017-06-23）