基于宽幅压条件下的高频变压器设计

戴米格



基于宽幅压条件下的高频变压器设计

戴米格

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

本文主要是针对宽幅压的条件下，借助AP法对高频变压器进行了设计，使实验搭建的样机能够在175-320 V的宽幅压范围内保持较好的稳定性。并利用Ansoft与Simplorer的联合仿真方法得出在宽幅压条件下的高频变压器的仿真波形。

AP法 高频变压器

0 引言

电力电子逆变电源在我国已经得到广泛应用，但目前已使用的逆变电源是通过PWM逆变器实现直流到工频交流电的电能转换，经过工频变压器隔离、变压，再通过LC滤波输出交流正弦波，而此时的变压器为工频变压器，体积比较大，主要是用于隔离作用。经过调查研究发现，变压器的体积与功率、工作频率相关。因此，提高工作频率成为减小变压器体积的一个有效途径。随着高性能材料的推出和现代电力电子技术的发展，通过大幅提高变压器的工作频率来大幅减小变压器体积已经成为可能[1]。工作频率的提高，不仅让高频变压器在体积上比工频变压器有所减少，绕组线圈数量也随之减少，且相应地可以减小铜损。变压器设计需要考虑电压、电流、频率、温度、磁材料参数、损耗等，本次设计的变压器要在175-320 V宽幅压条件下工作，输入输出电流较大，所以对磁芯材料及磁芯形状的选择都有较高要求。

高频变压器设计分两大步骤：先确定磁芯材料、磁芯结构、磁芯参数、线圈参数，再核算设计的合理性。具体的高频变压器设计指标如下表1。

表1 高频变压器设计指标

在此设计指标基础上，对高频变压器进行设计，以达到指标要求。

1 高频变压器设计过程

1.1 高频变压器材料选择

制作高频逆变器所需的材料应当充分考虑变压器工作磁场强度、工作频率、工作状态（波形）以及磁材料的磁性能。在实际应用中，高频变压器的磁芯磁导率要高，当磁场强度()一定时，根据磁感应强度=，越大，磁感应强度越大，线圈就能承受较高的外加电压，因此，在输出功率一定的情况下[2]，可以降低外磁场的励磁电流值，从而降低磁元件的体积；磁芯要有较高的电阻率，高电阻率可以减小涡流损耗，甚至可以忽略不计损耗。

目前市场上变压器使用的磁芯材料有两大类：铁氧体磁芯和合金类磁芯。各种磁材料的性能比较见表2：

表2 磁材料的性能比较表

从变压器的性能指标要求可知，传统的硅钢片、铁氧体材料虽然性价比较高且性能稳定，但已很难满足变压器在高频及各种实际的特殊环境条件下的设计要求。磁芯的材料只能在合金类磁芯材料中选择，但铁镍合金、钼坡莫合金饱和磁感应强度Bs为非晶态合金、超微晶的2/3左右，且加工工艺复杂。非晶态合金即金属玻璃，是一种压稳态材料，目前普遍采用单辊快淬法制作，其条带厚度一般不大于30 μm；超微晶又称纳米晶，可在非晶态合金的基础上经过晶化退火处理后获得，也是薄带条状。薄带有利于在高频条件下使用，因此，综合磁性材料表2的各材料性能，选择饱和磁感应强度高，温度稳定性好，价格适中的非晶合金实现高频变压器的设计。

1.2 磁芯参数计算[3]

变压器磁芯几何尺寸的计算有两种常用方法[4]：第一种是面积乘积法，即先求出磁芯窗口面积和磁芯有效截面积的乘积（，称磁芯面积乘积）然后根据值查表找出所需磁芯材料的编号，从而确定磁芯几何尺寸，又称法；第二种是几何参数法，即先求出几何参数，查表找出所需磁芯材料的编号，再进行设计，称为法。本文详细讨论高频变压器的法设计。

整理得：

每匝所占用面积与流过该匝的电流值和电流密度有关，如下式所示：

整理得：

将式(7)代入式(6)可得：

整理得：

变压器视在功率P的值随着线路不同而不同。如图1所示：

线路a理想时（即变压器效率=1时）。

实际（即<1）

线路b理想时（即=1）

实际（即<1）

线路c理想时（即=1）

实际（即<1）

窗口使用系数K0是表征变压器或电感器窗口面积中铜线实际占有的面积量。K0与主要线径、绕组数有关，一般典型值取K0=0.4。

本次设计的变压器副端为全波整流电路结构，视在功率与输出功率的关系如式(12)所示，变压器效率取0.95，得PT=20526 W；查表3，当升温50℃时，Kj=468，X=-0.14，磁通变化的变压器原边电压为方波，故波形系数Kf=4，窗口系数K0=0.4；非晶合金的饱和磁感应强度Bs约为1.6T，磁芯材料工作在高频条件下时，铁芯损耗比较大，同时还要考虑高频变压器尖峰电压等因素变压器设计时可以适当减小B值，以减小铁心损耗和防止过压；B值都是根据高频变压器设计要求选定的，只要在非晶合金材料的B-H曲线的线性区域即可，本文的变压器工作在175-320 V电压下，所以设定变压器在175 V时，选定BW值为0.2 T，保证变压器在尖峰电压下和较大电压条件下不会进入磁饱和状态。工作频率f=10 kHz，由式(10)可算得=301.02 cm4。

表3 磁芯结构常数

1.3 线圈参数计算

由于实验要求变压器工作在175 -320 V的宽幅压条件下，所以本文变压器取变比1，所以原边参数与副边参数相同。

线圈匝数：

取整20匝绕阻电流值：

电流密度：

绕阻裸线面积：

因为变压器是在高频下工作，故电流的集肤效应和临近效应对高频状态下的变压器影响很大，为了减小这一影响，降低绕组损耗，选择的导线半径要小于集肤深度。

因此采用直径为0.109 cm的AWG18导线，且32股并绕。变压器边比为1:1，所以副边匝数也取20匝，同时导线的参数及绕制与原边相同。

1.4 设计核算

磁芯CD25-55-85的外形结构如图2所示，窗宽为40 mm，窗高为85 mm，32股AWG18导线并绕的直径为6.17 mm，20匝线绕双层，每层各10匝即可完成。

图2 单相C型铁芯外形结构图

2 仿真模型的建立

2.1 仿真模型

利用Ansoft仿真软件在二维瞬态场中建立变压器几何模型、设定材料属性、指定边界条件、网格剖分、设定求解选项，变压器激励源使用外置电路[6-8]。变压器模型绕组匝数设置为10匝，变比为1；变压器的铁芯使用铁基非晶合金材料，最大磁感应强度为1.6 T，在Material选项中自定义厂家提供的B-H曲线参数，一、二次绕组均采用铜导线绕组即Ansoft自带的Copper材料；模型的网络剖分大小对仿真结果的精确度有很大影响，文中各区域均分配1 mm。分析采用Ansoft Maxwell 12与Simplorer 8联合仿真方式，仿真时间设为100 ms、求解时间为2 μs，场信息保存时间步长为1 ms(Ansoft与Simplorer 的仿真时间要同步)，如图3所示。

2.2 仿真波形

为了验证本次设计的可行性，在实验搭建的样机对设计的高频变压器进行测试。利用Ansoft仿真软件在二维瞬态场中建立变压器几何模型、设定材料属性，变压器激励源使用外置电路[6-8]。变压器在高频开关作用下产生尖峰电压，特别是在前五个周期产生的尖峰电压脉冲较高。这也是直流输入干线的信号干扰源之一。实际电路设计中需要对功率开关管增加RC缓冲电路，这样不仅能减小电路谐波，还能延长功率开关管使用寿命。如图4是变压器初级电压仿真波形，图5是变压器次级电压仿真波形：

图3 系统仿真模型

图4 变压器初级电压仿真波形

变压器在高频开关作用下产生尖峰电压，特别是在前五个周期产生的尖峰电压脉冲较高，这也是直流输入干线的信号干扰源之一，实际电路设计中需要对功率开关管增加RC缓冲电路，这样不仅能减小电路谐波，还能延长功率开关管使用寿命。

图5 变压器次级电压仿真波形

3 结论

本文通过材料选择，磁芯参数计算、线圈参数计算以及设计核算对宽幅压条件下工作的高频变压器进行了设计。根据实验所需样机参数要求选择材料为铁基非晶软磁合金的CD25-55-85磁芯，计算线圈参数和计算变压器的损耗，并通过Ansoft Maxwell 12与Simplorer 8联合仿真方式研究了高频变压器的电磁特性，所设计的变压器能够较好得在175-320 V的宽幅压条件下正常工作。

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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，助理工程师。研究方向：船舶工业，电力工业，机械工业。E-mail: 1527432143@qq.com