大容量高頻變壓器繞組損耗的計算與分析

王國龍

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東萊蕪 271104）

0 引言

國內外的研究學者在電力電子技術的基礎上，研發的新型智能變壓器實現了更加有效的電能變化，這種電力電子變壓器也叫固態變壓器。電力電子變壓器與傳統的變壓器相比有一定優勢，控制性更強。電力電子變壓器組成中最基礎的電磁原件是高頻變壓器，也是最重要的部件。在不斷增加變壓器需求容量的背景下，其體積也在持續增加。變壓器的體積隨著工作頻率的增加而不斷減小，但是從繞組的損耗方面來分析，在高頻效應下會越來越大。為此，對于大容量高頻變壓器，研究的重點是怎樣通過繞制結構優化來減少繞組損耗。

在后面研究中，主要是基于有限元分析法進行結構模型構建，得到不同繞組模型，繪制繞組繞制方向漏磁通密度分布曲線。計算繞組交流電阻、損耗交叉換位變化以及漏感等數值。在這種情況下，又對綜合分析交叉換位形式與高頻變壓器交流電阻、漏感等的影響進行深入研究。通過研究結果發現，想要降低變壓器繞組損耗和漏感，可以將分屬一二次測層或者線匝交疊安排。在變壓器繞組設計中應用交叉換位技術，有效提高大容量高頻變壓器的工作效率。將高頻變壓器與有限元分析相結合，針對20 kHz、10 kW 的E-E 型銅箔繞組變壓器，應用科學有效的繞組制作技術方式，充分考慮可能產生影響的因素，最大限度降低高頻變壓器的損耗和漏感。

實驗測量高頻變壓器樣機，分析不同繞組結構情況。結果顯示，繞組結構的變化會引起變壓器性能的變化，這也可作為重要的依據來進行后期的設計開發。

1 繞組結構對高頻變壓器參數的影響

與工頻變壓器不同，在工作頻率方面，高頻變壓器更高，主要有以下方面：首先，變壓器的體積縮小；然后，加強控制分布參數，變壓器的輸出功率與分布參數設計質量有直接關系，會對其效率造成較大影響，可能造成電源處于不良的運行狀態。高頻變壓器中高功率的漏失是重要的參數之一。

本次研究建立了不同繞組模型，如圖1 所示。以此分析對漏感、電阻等參數帶來的影響，包括有交叉換位式模型、三明治式模型以及無交叉式模型。選取美磁公司的OR49938EC 型鐵氧體作為磁芯材料進行仿真模擬。20 kHz 下，匝數比2∶1，額定電流比和額定電壓比分別為17∶34 和600∶300。圖1 中的黑色、白色分別代表一次繞組、二次繞組。

圖1 繞組結構模型

（1）圖1 和圖2a）顯示，漏磁磁通密度在結構簡單，無交叉式繞組中，加大一次安匝數會加大漏磁磁通密度。當一次安匝數為0.037 T，達到側交界面最大值的情況下為最大。這是因為一次側與二次側有著相同匝數，卻為相反方向，到達二次界面后，就會出現漏磁磁通密度減少的情況。達到二次繞組邊緣時出現最小值0。從這個分析可以看到，這種結構出現漏感的可能性很大，此外，在分開繞制一二次繞組的情況下，就會加大其鄰近效應，增加交流電阻，加大變壓器銅損。因此高頻變壓器在設計和制作時，不能因為其結構簡單就采取這種繞組方式。

（2）圖1 和圖2b）顯示，三明治式繞組結構與普通繞組結構漏磁磁通密度相比，最大值大約小一半。三明治式結構繞組的最大值為0.02 T，漏磁磁通密度在中心位置處降低為零，因此三明治式繞組結構的漏感和鄰近效應比較小，變壓器銅耗也比較小，有效提升變壓器的效率。

（3）圖1 和圖2c）顯示，在漏磁磁通密度方面，交叉換位式結構會小于三明治式結構，交叉換位式繞組漏磁磁通密度最大值為4.8 mT。因此交叉換位式繞組結構形式的漏感、鄰近效應大大降低。不同匝數的繞組因鄰近效應大大降低，電阻基本相同；同時交叉換位繞組結構形式每匝之間有著良好的耦合，所以銅損的分配也比較平均。在效率、可靠性和故障率方面，交叉換位式繞組結構都有良好表現。因此，相對于前兩種變壓器，其性能更優。交叉換位式繞組交錯并靠近，內部的磁場因為鄰近有所減小，層間氣隙的磁場儲能也有所下降，實現了漏感、損耗下降的目的。交叉換位式繞組形式有著降低高頻變壓器繞組電阻、漏感、渦流損耗和阻抗等優勢。

圖2 不同結構的繞組沿繞制方向漏磁通密度的分布曲線

2 大容量高頻變壓器繞組制作要求

在高頻變壓器的設計和制作時一定要考慮到鄰近效應和趨膚效應，繞組導線的直徑不能大于趨膚深度的2 倍。降低變壓器的渦流損耗可以采取多股細銅線并繞的方式或者采用薄銅作為導線。變壓器的最終性能、可靠性都與高頻變壓器繞組的拓撲結構有著密切關系。保障變壓器的漏感、交流電阻處于科學合理的范圍內，就要在變壓器制作時盡量使一二次繞組實現緊密耦合。二次分布電容是按照匝比平方來向一次側折算，增加變壓器電壓情況下，二次分布電容就會出現很大變化。這就要求在高頻高壓大功率變壓器電容進行分布時，盡量要小，充分考慮到變壓器繞制時可能出現的問題。交叉換位式繞組制作時，首先變壓器繞組的第一匝一定要圍繞磁芯纏繞，再開始二次繞組的一匝，重復以上過程，直到纏繞完成為止。這種纏繞方式有效提升了工作效率，使高頻變壓器的漏感減少。但在實際操作中難于進行此類非1∶1 電壓比的繞組結構，通常會選用折中措施，在便于繞制的基礎上，也能有效控制漏感范圍。

3 樣機實驗

經過計算和研究，在樣機繞組的制作方面，銅箔選用寬26.5 mm、厚0.2 mm，以透明聚酯薄膜為絕緣材料，厚度為75 μm，采取交叉換位式繞組形式代替三明治式繞組結構形式，有效降低了漏感、電阻，保障繞組的損耗降到最低，繞組間的分布電容有所增加。高頻變壓器性能參數大小通過對樣機的實驗測量得出，與繞組的布局有著密切關系。通過制作變壓器，主要表現為3 點。

（1）通過對一二次繞組間的緊密耦合，實現漏感的減小，采取交叉換位的方式縮短繞組結構上的間距，進行科學合理的布局。

（2）分布電容會因為不同的繞制方式而出現較大差異。在交叉換位繞制方法中，加大了同一繞組層間的距離，減少了繞組分布電容。

（3）繞組間繞線的粗細、線圈層間距以及層間絕緣材料都會影響分布電容，同時還與繞組正對的面積有著密切關系。因此繞組間電容會因為采取不同的繞組布局存在很大差異。一二次繞組在經過交叉換位式繞組結構后正對面積增加，也會導致出現的寄生電容較大。在緊密繞組中，大寄生電容與低漏感之間是一對矛盾，這就需要進行綜合分析。

4 結論

經過以上研究和分析得出，高頻變壓器在制作過程中，盡量使用交叉換位式繞組結構，有效降低損耗，對于導體有著不同流向的電流，可將其靠近安排，流向相同則應盡量遠離。通過交叉換位式，能有效降低變壓器的損耗和漏感，提升效率和可靠性。