研究高頻變壓器設計中需注意的相關問題

朱瑞章 李紅霞

【摘 要】隨著人們生活質量在不斷的提高，對于用電的需求在不斷的加大，電力系統發揮著不可或缺的重要作用，隨著社會經濟和科學技術的快速發展，電力元件的升級換代已經成為提升電力系統運行穩定性的有效途徑。就如今的研究而言，高頻變壓器在電力系統中扮演著十分重要的角色，對于提升電力運輸的穩定性與利用效率有著極大的積極作用，而設計環節是決定高頻變壓器質量的關鍵，若是在設計環節出現問題，將會大大降低高頻變壓器的質量。基于此，為了提升高頻變壓器的質量和利用價值，本文將探討高頻變壓器設計過程中需要注意的問題，旨在為相關技術工作者提供有益借鑒。

【關鍵詞】高頻變壓器；設計環節；相關問題

引言

高頻變壓器是目前電力系統中非常常見的電力裝置，其結構形式、技術要求與設計方案和材料組成都直接影響著變壓器運行的穩定性，對其進行深入、具體的設計研究，有利于大大提升高頻變壓器的利用價值。高頻變壓器中存在的漏感和分布電容等問題都提高了設計難度。一般情況下我們常采用AP法（磁芯面積乘積法）和Kg法（磁芯幾何參數法）對高頻變壓器進行設計，其中Kg法是根據初期計算出的磁芯具體尺寸來確定磁芯的編號，而AP法是得到磁芯的窗口面積（AW）與磁芯的有效面積（Ae）的乘積后，再查詢磁芯手冊等相關資料確定本設計中所需要的具體磁芯型號。由于AP法原本是針對傳統的工頻正弦波鐵心變壓器而提出的，直接用于波形復雜的高頻變壓器并不合適，計算結果也很不準確。但目前AP法（即面積乘積法）仍被推薦為選擇磁心的一種有效方法，這里我們介紹AP法。設計的高頻變壓器如圖1所示，分為磁芯和繞組兩部分。變壓器的原邊繞組即是初級繞組（NP），一方面從電源的輸入端獲取電能，另一方面可起到勵磁作用。而副邊有兩個次級繞組（NS1、NS2），分別獨立構成兩個輸出回路。輸入電能經過高頻變壓器的初級線圈后轉變為磁場能，與此同時，磁極繞組將該磁場能轉變為電能以供負載使用。

1變壓器的分布電容

通常變壓器的分布電容也是越小越好，電容的公式：C=S/4kd。按公式需要注意以下幾點：（1）選用介電常數較低的漆包線。（2）減小極板正對面積。（3）加大極板之間的距離。實際設計變壓器時，通常選用的材料相對是比較省成本的，如果為了減小分布電容而換成不常用的材料，可能會造成不良后果。由于市場競爭激烈，很多廠家以低價格的要求來生產符合性能要求，以便快速占領市場。另外，可以從加大極板之間的距離、減小極板的正對面積等方面，來降低分布電容。變壓器的漏電感和分布電容是同時存在的，改變漏電感，那么分布電容也隨之改變。上面提到改變變壓器的材料，那么漏電感和分布電容會改變。除了改變材料外還可以改變變壓器的結構。同一款變壓器，參數不改，將變壓器的結構調整，變壓器的主電感不變，那么漏電感和分布電容同時發生變化。如果在材料不變，又想改變漏電感和分布電容，那么可以相應調整結構，當然這是在允許的條件調整，而不是改變原設計的調整，那樣就不是同一款產品了。

2高頻變壓器設計中需注意的相關問題

2.1高頻變壓器的銅心選擇

非晶、超微晶合金材料、軟磁鐵氧體材料是高頻變壓器最為常見的磁性材料，在具體應用時有著很大的區別，而且不同位置元件的基本特性也有著很大的區別，設計人員需要深入分析各個部件的具體需求，才能更快地選出合適的材料，主要通過以下四種方式來選擇：其一，按照工作頻率選擇磁芯材料。盡管高頻變壓器都是高頻，但是頻率卻存在著的很大的差異，設計工作者需要按照工作頻率來確定磁芯的材料，如工作頻率在100kHz范圍內，通常選取Mn-Zn鐵氧體材料，若是工作頻率高于1MHz，通常選取Ni-Zn材質；其二，按照變壓器具體的種類來確定鐵氧體磁心的種類。高頻變壓器的類型與種類不同將直接影響著鐵氧體中品種的選擇，若是高頻變壓器需要具有較高的飽和磁感應強度，必須需要大大降低材料的損耗，這樣就能夠使用國內自產的JP3、R2KD等等，也可以使用其他國家生產的PC40等；其三，按照變壓器的具體技術要求采用合適形狀的鐵心；而且鐵氧體磁心的形狀不同，所制作高頻變壓器的電氣參數也有著顯著差別，在深入了解各種形狀磁心參數的好處與弊端的基礎上，更好地確定變壓器的電氣技術要求，需要將磁心生產為參數最合理、最適用的形狀，如高頻變壓器要有較高的品質因數和很小的漏感，則能夠選擇罐形磁心亦或是PQ型磁心；其四，按照電力企業可以接受的耗損來合理給定變壓器的磁感應強度。在實際使用環節顯示，高頻變壓器的溫升會受到很大的制約，要想大大提升變壓器的使用效率，提升經濟效益，需要將變壓器的銅損與磁心損耗維持在一樣的狀態，在合理溫升的基礎上，高頻變壓器磁心損耗就能夠給定了，在此工作頻率的基礎上，按照磁心的損耗線路圖便能夠獲取變壓器的磁感應強度。

2.2變壓器的漏電感

通常變壓器的漏電感是越小越好，在實際設計中有以下方法可供參考：（1）采用絞合銅線，使銅占因子上升。（2）采用寬薄的銅箔，銅占因子最高。（3）繞組設計成細長型，以減少漏感。（4）次級繞組繞在初級繞組中間，或把次級繞組繞在初級繞組外部，使兩繞組緊密耦合。實際設計變壓器時，由于PCB板或整機的空間受到限制，其中包括體積、工作頻率等，因此變壓器就要按PCB板或整機的空間來設計。按體積、功率、頻率、占空比等參數，確定變壓器的型號及大小。按變壓器的輸入、輸出等條件，可以得出變壓器初步方案，再經實際制作樣品，來驗證初步方案是否達到設計要求，這時測試是指變壓器的靜態測試，在靜態測試達到要求后，再將變壓器插裝到PCB或整機進行測試，這時的測試包括空載測試、額定負載測試、老化等等。

2.3注意線圈在高頻下的損耗

在高頻變壓器實際應用的過程中，由于趨膚效應和鄰近效應的影響，其線圈交流電阻要比直流電阻增大很多，交流電阻會有相應的增大，直接影響著高頻變壓器的損耗和升溫，相關設計工作者需要采取有效措施最大限度地降低趨膚效應和鄰近效應帶來的不良作用，在高頻的基礎上算出交流電阻的具體數值。在實際的設計工作中，若想降低趨膚效應帶來的影響，可以采取直徑大大小于趨膚深度的導線，在電流比較大時應用雙線、多根絞線的模式；為了降低鄰近效應的消極作用，能夠利用減小導線直徑的辦法，最大限度地減小繞組的層數，此外，技術人員還可以通過初、次級交叉繞制的方式降低鄰近效應的影響。

結語

總而言之，高頻變壓器在電力系統中的有效運用，為我國電力事業的發展提供了顯著力量，相關設計工作者要著重思考高頻變壓器所在電路適應性、相關運行參數和銅心選擇等方面的關鍵問題，全面提升高頻變壓器設計的科學性與合理性，為電力事業的發展創造良好的條件。

參考文獻：

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[3]尹毅然.高頻變壓器損耗計算、散熱的設計與優化[D].華北電力大學（北京），2017.

（作者單位：國網山西省電力公司晉中供電公司）