大功率高压开关电源变压器耗损分析和风冷优化

王 强

（宁波浙铁江宁化工有限公司，浙江宁波 315207）

1 大功率高压开关电源变压器的磁场耗损分析

1.1 磁场耗损分析

在高频变压器中，磁芯损耗形式主要有涡流损耗（Pe）、磁滞损耗（Ph）和剩余损耗（Pr）。

（1）Pe=bB2mf2，b=nd02/（6p）。其中，p 是电阻率，Ω·m；d0是材料厚度，m；f 是频率，Hz。

（2）Ph=αBmsf。其中，α 是由材料性质或其他相关因素所决定的一个常数；Bm是最大通磁密度；s 是Steinmetz 系数；f 是频率。

（3）Pr=cB1-5f1-5。c 是经验参数。

总的磁芯耗损P=Ph+Pe+Pr，通过这个公式可以看出，在大功率高压开关电源中，变压器磁芯的总损耗会受到开关频率以及最大磁通密度的乘积影响，随着这个乘积增大，总损耗也会增大，由此可见，两者呈正比例关系。

1.2 绕组损耗分析

在大功率高压开关电源中，变压器绕组的产生原因主要是集肤效应和临近效应。当变压器温度达到70 ℃时，铜线集肤深度。假设这个线圈是圆形横截面，则，其中，Ks是集肤效应的系数，RBc是集肤效应所引起的交流阻抗，Rdc是直流阻抗。因此，在对临近效应进行求解过程中，可以用公式Kx=G］进行计算，其中，m 是线圈层数，h 是线圈叠加高度，d2是线圈厚度，G=d2/S。将上述公式进行简化，则可以得出，Ks=1+G4，由此可以得出。

通过以上2 个公式可以得知，临近效应和线圈的横截面积以及线圈的层数之间均有紧密关系，通过这一关系，可以得知，变压器绕组损耗和线圈的横截面积以及线圈的层数之间也有紧密关系。

2 大功率高压开关电源变压器温度场散热计算

2.1 在自然风冷环境下对变压器温升进行仿真分析

当变压器处在满负载时，通过对变压器温升进行仿真分析可知，在这样条件之下，变压器会产生出庞大数量的数据，因此在不会对仿真实验结果造成影响的前提条件之下，将变压器模型对称性的特征作为依据，选择其中的1/4 作为对象来进行热分析。通过仿真实验可以发现，在自然风冷条件下，变压器最高温度可以达到102.84 ℃，比理想稳定温度高出很多。由此可以看出，变压器的散热需要进一步改进。在改进过程中，可以改变散热方式，但是由于液体的冷却会进一步增大整体体积，故可以采用强迫风冷的形式进行改进，通过对风机风速的调节来达到散热效果。同时，变压器的大部分热量都在线圈中集中，因此在改进过程中，也可以通过增加散热风道来降低变压器的升温效果。

2.2 对不同负载之下需要的风量进行计算

在通过风冷对散热进行控制的过程中，辐射换热也很容易被忽略，基于这一情况，可以将对流以及传导作为主要的换热方法。将进口的空气温度设置在25 ℃，将变压器的安全温度上限设置为90 ℃。本次实验过程中，应用的是直流开关电源变压器，其输入电流在0.5～3.0 A，输出效率可以达到90%。将已经或得到的相关参数作为依据，就可以计算变压器不同负载之下的通风量。通风量Qt=Qre×60/（cp×P×Δt），其中，cp是空气比热容，J/（kg·℃）；P 是空气密度，kg/m3；Qt是通风量，m3/min；Qre是风机所带走的热量，W；Δt 是空气入口和空气出口之间的温度差，℃。在本次实验中，已知该变压器稳定的温度是90 ℃，经过强制风冷作用，带走的热量在总消耗功率之中占据90%，剩余的一些热量主要是通过电源外壳朝着外部辐射，或者是通过自然的对流而散失。

在变压器的负载达到2500 V、3 A 时，可以计算出该变压器中功率损耗大约是0.75 kW，由此可以算出，这样的负载条件之下，该变压器的通风量需求是0.748 m3/min。考虑通风量的损失以及安全性等诸多因素，并结合实际经验，适当裕量应该与1.5～2.0 的系数相乘，由此可以计算出通风量Qt=1.495 m3/min。

按照以上方法和步骤进行计算，可以计算出大功率高压开关电源变压器在不同负载条件下的通风量需求。在本次研究中，分别在自然风冷以及强迫风冷这两种情况下，对不同负载条件下的变压器模型温度进行仿真实验，并对升温结果进行对比。

2.3 变压器在强迫风冷条件之下的温升仿真分析

在分析过程中，应该选择变压器在满负载条件之下的模型来详细分析仿真结果，改进放热方式后，变压器在强迫风冷条件下的仿真升温结果如图1 所示。由图1 可以看出，通过对变压器散热方式加以改进，其温升的降低效果十分显著，该变压器的最大温度由改进之前的102.84 ℃下降到65 ℃，较变压器正常运行过程中的温度极值要低一些，这对于变压器的良好稳定运行及其安全性将会起到有效保护作用。

3 大功率高压开关电源变压器的整体散热控制设计分析

在进行大功率高压开关电源变压器的整体散热控制设计过程中，通过对不同负载条件之下变压器散热情况的分析，提出以下整体设计流程。

（1）基本条件的确定与模型建立。在对大功率高压开关电源变压器进行整体散热控制设计过程中，首先应该对变压器基本的应用条件进行确定，在全面确定了其基本的条件后，再应用Ansoft Maxwell 软件来建立相应3D 模型。

（2）对磁场进行仿真分析。在对磁场进行仿真分析的过程中，依然可以通过Ansoft Maxwel 软件来实现，这样就可以分别获得变压器对应条件之下的磁芯损耗和绕组损耗情况。

（3）对散热负载进行设定。在进行大功率高压开关电源变压器的整体散热控制设计过程中，负载的设定也是一项关键性内容。在负载设定过程中，应该判断散热负载和变压器额定负载的大小，如果散热负载小于变压器额定的负载，则可以继续进行下一步，如果散热负载大于变压器的额定负载，则应该结束计算。

（4）在自然风冷的条件下进行温度场的仿真。在ANSYS 软件之中导入磁场损耗模型，并计算自然风条件下的高压开关电源变压器温升情况。

图1 变压器在强迫风冷条件之下的仿真升温结果

（5）在强迫风冷的条件下进行温度场的仿真。在计算变压器所需散热通风量过程中，可以通过ANSYS 软件对风量条件进行计算，这样就可以获得强迫风冷条件下的变压器温升。通过将其与自然风冷条件下温升情况进行对比，就可以分析出散热效果是否理想。

（6）实物模型的建立。在将自然风冷条件之下以及强迫风冷条件之下的温升结果进行对比之后，如果发现其可基本满足变压器散热条件，就可以建立实物模型，进一步对其进行验证。

（7）对结果进行对比。通过实际模型结果和仿真结果的对比，就可以获得最优设计结果，并能够对优化设计是否有效进行验证。

（8）对新的负载进行运算。在得出设计结果后，应该重新选择一组负载进行运算，这样就能够获得不同负载条件之下变压器需要的通风量，进而实现对风量的有效调节，使变压器得到最佳散热效果。

4 结束语

在大功率高压开关电源变压器应用过程中，损耗以及散热始终是需要重点解决的问题。因此，在实际应用过程中，相关工作人员应全面分析变压器运行中的损耗以及不同负载条件之下的散热情况，这样才可以及时发现其损耗以及散热方面的问题，并根据实际情况制定出合理化解决方案。通过这种方式，可以合理降低大功率高压开关电源变压器的运行损耗和运行温度，在保障其正常运行情况下提升运行安全性。这对于大功率高压开关电源应用效果的提升会起到十分积极的促进作用，进而有效推动当今社会经济与能源等的可持续发展。