研究高频变压器设计中需注意的相关问题

朱瑞章 李红霞

【摘 要】随着人们生活质量在不断的提高，对于用电的需求在不断的加大，电力系统发挥着不可或缺的重要作用，随着社会经济和科学技术的快速发展，电力元件的升级换代已经成为提升电力系统运行稳定性的有效途径。就如今的研究而言，高频变压器在电力系统中扮演着十分重要的角色，对于提升电力运输的稳定性与利用效率有着极大的积极作用，而设计环节是决定高频变压器质量的关键，若是在设计环节出现问题，将会大大降低高频变压器的质量。基于此，为了提升高频变压器的质量和利用价值，本文将探讨高频变压器设计过程中需要注意的问题，旨在为相关技术工作者提供有益借鉴。

【关键词】高频变压器；设计环节；相关问题

引言

高频变压器是目前电力系统中非常常见的电力装置，其结构形式、技术要求与设计方案和材料组成都直接影响着变压器运行的稳定性，对其进行深入、具体的设计研究，有利于大大提升高频变压器的利用价值。高频变压器中存在的漏感和分布电容等问题都提高了设计难度。一般情况下我们常采用AP法（磁芯面积乘积法）和Kg法（磁芯几何参数法）对高频变压器进行设计，其中Kg法是根据初期计算出的磁芯具体尺寸来确定磁芯的编号，而AP法是得到磁芯的窗口面积（AW）与磁芯的有效面积（Ae）的乘积后，再查询磁芯手册等相关资料确定本设计中所需要的具体磁芯型号。由于AP法原本是针对传统的工频正弦波铁心变压器而提出的，直接用于波形复杂的高频变压器并不合适，计算结果也很不准确。但目前AP法（即面积乘积法）仍被推荐为选择磁心的一种有效方法，这里我们介绍AP法。设计的高频变压器如图1所示，分为磁芯和绕组两部分。变压器的原边绕组即是初级绕组（NP），一方面从电源的输入端获取电能，另一方面可起到励磁作用。而副边有两个次级绕组（NS1、NS2），分别独立构成两个输出回路。输入电能经过高频变压器的初级线圈后转变为磁场能，与此同时，磁极绕组将该磁场能转变为电能以供负载使用。

1变压器的分布电容

通常变压器的分布电容也是越小越好，电容的公式：C=S/4kd。按公式需要注意以下几点：（1）选用介电常数较低的漆包线。（2）减小极板正对面积。（3）加大极板之间的距离。实际设计变压器时，通常选用的材料相对是比较省成本的，如果为了减小分布电容而换成不常用的材料，可能会造成不良后果。由于市场竞争激烈，很多厂家以低价格的要求来生产符合性能要求，以便快速占领市场。另外，可以从加大极板之间的距离、减小极板的正对面积等方面，来降低分布电容。变压器的漏电感和分布电容是同时存在的，改变漏电感，那么分布电容也随之改变。上面提到改变变压器的材料，那么漏电感和分布电容会改变。除了改变材料外还可以改变变压器的结构。同一款变压器，参数不改，将变压器的结构调整，变压器的主电感不变，那么漏电感和分布电容同时发生变化。如果在材料不变，又想改变漏电感和分布电容，那么可以相应调整结构，当然这是在允许的条件调整，而不是改变原设计的调整，那样就不是同一款产品了。

2高频变压器设计中需注意的相关问题

2.1高频变压器的铜心选择

非晶、超微晶合金材料、软磁铁氧体材料是高频变压器最为常见的磁性材料，在具体应用时有着很大的区别，而且不同位置元件的基本特性也有着很大的区别，设计人员需要深入分析各个部件的具体需求，才能更快地选出合适的材料，主要通过以下四种方式来选择：其一，按照工作频率选择磁芯材料。尽管高频变压器都是高频，但是频率却存在着的很大的差异，设计工作者需要按照工作频率来确定磁芯的材料，如工作频率在100kHz范围内，通常选取Mn-Zn铁氧体材料，若是工作频率高于1MHz，通常选取Ni-Zn材质；其二，按照变压器具体的种类来确定铁氧体磁心的种类。高频变压器的类型与种类不同将直接影响着铁氧体中品种的选择，若是高频变压器需要具有较高的饱和磁感应强度，必须需要大大降低材料的损耗，这样就能够使用国内自产的JP3、R2KD等等，也可以使用其他国家生产的PC40等；其三，按照变压器的具体技术要求采用合适形状的铁心；而且铁氧体磁心的形状不同，所制作高频变压器的电气参数也有着显著差别，在深入了解各种形状磁心参数的好处与弊端的基础上，更好地确定变压器的电气技术要求，需要将磁心生产为参数最合理、最适用的形状，如高频变压器要有较高的品质因数和很小的漏感，则能够选择罐形磁心亦或是PQ型磁心；其四，按照电力企业可以接受的耗损来合理给定变压器的磁感应强度。在实际使用环节显示，高频变压器的温升会受到很大的制约，要想大大提升变压器的使用效率，提升经济效益，需要将变压器的铜损与磁心损耗维持在一样的状态，在合理温升的基础上，高频变压器磁心损耗就能够给定了，在此工作频率的基础上，按照磁心的损耗线路图便能够获取变压器的磁感应强度。

2.2变压器的漏电感

通常变压器的漏电感是越小越好，在实际设计中有以下方法可供参考：（1）采用绞合铜线，使铜占因子上升。（2）采用宽薄的铜箔，铜占因子最高。（3）绕组设计成细长型，以减少漏感。（4）次级繞组绕在初级绕组中间，或把次级绕组绕在初级绕组外部，使两绕组紧密耦合。实际设计变压器时，由于PCB板或整机的空间受到限制，其中包括体积、工作频率等，因此变压器就要按PCB板或整机的空间来设计。按体积、功率、频率、占空比等参数，确定变压器的型号及大小。按变压器的输入、输出等条件，可以得出变压器初步方案，再经实际制作样品，来验证初步方案是否达到设计要求，这时测试是指变压器的静态测试，在静态测试达到要求后，再将变压器插装到PCB或整机进行测试，这时的测试包括空载测试、额定负载测试、老化等等。

2.3注意线圈在高频下的损耗

在高频变压器实际应用的过程中，由于趋肤效应和邻近效应的影响，其线圈交流电阻要比直流电阻增大很多，交流电阻会有相应的增大，直接影响着高频变压器的损耗和升温，相关设计工作者需要采取有效措施最大限度地降低趋肤效应和邻近效应带来的不良作用，在高频的基础上算出交流电阻的具体数值。在实际的设计工作中，若想降低趋肤效应带来的影响，可以采取直径大大小于趋肤深度的导线，在电流比较大时应用双线、多根绞线的模式；为了降低邻近效应的消极作用，能够利用减小导线直径的办法，最大限度地减小绕组的层数，此外，技术人员还可以通过初、次级交叉绕制的方式降低邻近效应的影响。

结语

总而言之，高频变压器在电力系统中的有效运用，为我国电力事业的发展提供了显著力量，相关设计工作者要着重思考高频变压器所在电路适应性、相关运行参数和铜心选择等方面的关键问题，全面提升高频变压器设计的科学性与合理性，为电力事业的发展创造良好的条件。

参考文献：

[1]郗亮.高频变压器发展的研究[J].通信电源技术，2018，35（03）：237-238.

[2]谭智勇，郗亮，胡细保.研究高频变压器设计中需注意的相关问题[J].电工文摘，2017（05）：23-25.

[3]尹毅然.高频变压器损耗计算、散热的设计与优化[D].华北电力大学（北京），2017.

（作者单位：国网山西省电力公司晋中供电公司）