摘要： 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率高頻變換器將逐步進入到傳統(tǒng)中小功率工頻變壓器在變電技術(shù)中的應(yīng)用場合，并有漸行取代的趨勢。作為變換器中一個非常重要的部分，磁性元件也因其特殊性而越來越受到人們的關(guān)注。因為它既不同于傳統(tǒng)小功率的電子變壓器，也不同于傳統(tǒng)的工頻變壓器。對其進行優(yōu)化設(shè)計將對整個變換器的設(shè)計都有重要的參考意義。論文針對一個50kW高頻變壓器，提出了具體的設(shè)計方案，設(shè)計思路，基本設(shè)計原則，并對包括磁芯選擇，繞組損耗與鐵芯損耗的合理分配，線圈匝比，繞組線徑，銅箔厚度的選定等問題，都做了系統(tǒng)的分析，總結(jié)出了一些相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗。最后通過仿真與試驗測量驗證，證明了理論分析的正確性和設(shè)計方案的可行性。
關(guān)鍵字： 大功率，高頻變壓器，非晶，優(yōu)化設(shè)計
0 引言
為了減小配電裝置的體積、重量，近年來相對于傳統(tǒng)工頻變壓器（變電方案）的設(shè)計，幾十kHz的大功率高頻變換器設(shè)計方案越來越受到重視，如半橋，全橋，Boost電路，多路交錯并聯(lián)Buck電路等，現(xiàn)在已經(jīng)開始逐步應(yīng)用在電動汽車，地鐵，電動汽車充電站等領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)工頻變壓器笨重、碩大的體積，已經(jīng)初顯出其發(fā)展的重大前景。在大功率的應(yīng)用場合，磁性元件的設(shè)計變得尤其重要，特別是變換器中的高頻變壓器、輸入和輸出濾波電感的設(shè)計，對于優(yōu)化整個變換器將有其特殊意義。
本文針對一個工程應(yīng)用面的高頻變壓器設(shè)計提出具體的設(shè)計思路與基本設(shè)計原則，最后給出設(shè)計與實驗測量數(shù)據(jù)。設(shè)計效果良好，具備了工程應(yīng)用性。
1 高頻變換器常用電路拓撲簡介及其對磁性元件的設(shè)計要求
在大功率場合常用的方案有，直接工頻移向變壓器加可控硅整流電路，可同時實現(xiàn)PFC與電壓變換的雙重功能，但由于在工頻條件下工作，因此體積大，且非常笨重，如一臺50kW的380V三相輸入移相變壓器，重量超過120kg。
因此，為了減小體積重量，也為了適應(yīng)運動列車，電動汽車，電動汽車充電站等對重量敏感或空間限制情況下的應(yīng)用，現(xiàn)代電力電子技術(shù)，特別是大功率高頻變換器的設(shè)計技術(shù)越來越受到重視。在中、大功率的應(yīng)用場合，全橋，半橋，Boost，Buck等電路應(yīng)用前景廣闊。在大功率變換器中，工作電流非常大，變換器中磁性元件的損耗將占總損耗的很大比例，將給冷卻裝置提出很高技術(shù)要求，及在很大程度上影響到電路的工作穩(wěn)定性。本文重點介紹一個全橋變換電路中最重要的一顆磁性元件——主變壓器的設(shè)計。在全橋電路中，變壓器起著能量傳遞和隔離的雙重作用，作用非常重要。傳統(tǒng)經(jīng)驗認為，磁性元件在整個變換器的體積重量和損耗均約占變換器相關(guān)參量的30%，但在大功率情況下，此參量還會更大。因此如何減小磁性元件的體積、重量，提高功率密度，需要對損耗進行特別優(yōu)化，提高變壓器自身的效率。
2 應(yīng)用于全橋電路拓樸中的變壓器
電氣基本參數(shù)：功率：50kW；
工作頻率：15kHz；
輸入電壓：300~600V；
輸入電流：167A@300V；
輸出電壓：750V；
紋波系數(shù)：30%；
從電氣基本參數(shù)看，工作頻率為15kHz，硅鋼片已經(jīng)不適合使用，因此可以考慮其它的高頻材料：如鐵氧體，非晶，微晶等。下面對非晶與鐵氧體材質(zhì)作一個性能評估：
表 1 非晶合金與鐵氧體高頻變壓器使用效果對比表[2]
材質(zhì) Bw/T Pfe/W 激磁功率/VA 體積比 重量/kg
非晶 0.57 5.4 7.6 0.66 0.52
鐵氧體 0.25 >6.3 7.27 1 1
從表1（摘自開關(guān)電源的原理與設(shè)計[2]，10kHz應(yīng)用場合非晶與鐵氧體變壓器效果對比）可以看出，非晶材質(zhì)相對于鐵氧體材質(zhì)有很多優(yōu)良的性能，尤其是體積、重量的減小，對于像在電動汽車等對體積，重量敏感的應(yīng)用場合，有很大的優(yōu)勢。如果采用鐵氧體設(shè)計，需要很多小模塊或并聯(lián)或串聯(lián)，這將會帶來一系列的問題，如：1、使得變壓器結(jié)構(gòu)復雜，且非常笨重；2、對于鐵氧體材質(zhì)的大鐵芯，燒制成型困難，制成率非常低。因此本設(shè)計選用非晶材質(zhì)C型磁芯，盡管成本較高，但對于大功率、長壽命的變換器，非晶有其明顯的優(yōu)勢，在不長的時間內(nèi)即可回收成本。C型非晶磁芯應(yīng)用于大功率的場合還具有以下優(yōu)勢：1、在磁芯橫截面積相同的條件下，窗口愈大，變壓器功率可做得越大；2、由于鐵芯兩側(cè)可以分別繞制線圈，因此變壓器的線圈匝數(shù)可分配在兩個線包上，從而使每個線包的平均匝長較短，線圈的銅耗相對減??；3、另外如果把要求對稱的兩個線圈分別繞在兩個線包上，可以達到完全對稱的美觀效果。本設(shè)計中采用線圈包鐵芯的方案還有一個優(yōu)勢在于有利于線圈散熱。因為在大功率、寬范圍電壓輸入的應(yīng)用中，通常是以最小輸入電壓，最大輸出功率作為設(shè)計點，并把繞組線損設(shè)計得略高于鐵芯損耗，這將有助于變壓器在輕載情況下效率的提升和空載情況下?lián)p耗的降低。[#page#]
3 變壓器本體設(shè)計
對于變壓器本體設(shè)計，首先需要仔細分析其工作電流波形。因為電流波形直接與繞組損耗相關(guān)，對于線圈的優(yōu)化設(shè)計意義重大。
在全橋變換器中，變壓器工作電流波形如圖2所示，為防止開關(guān)管上、下橋臂直通的現(xiàn)象發(fā)生，要求開關(guān)管的最大占空比小于0.5。
以工作電流波形作為設(shè)計的切入點，即可進入變壓器的本體設(shè)計程序。此處用傳統(tǒng)的變壓器設(shè)計方法AP法，首先計算變壓器所需的磁芯AP值：
(1)
其中：AP—為窗口面積Aw與鐵芯橫面積Ae的乘積；
PT—為V1I1+V2I2變壓器的視在功率；
Bw—鐵芯工作磁通密度；
fw—開關(guān)管工作頻率；
K0—繞線窗口利用系數(shù)；
Kf—波形系數(shù)；
Kj—對于C型磁芯電流系數(shù)，用經(jīng)驗值323；
x—與磁芯結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；
對于本設(shè)計，PT=100.2kW，Bw=0.8（設(shè)計初期暫取值）， fw=15kHz，K0=0.4，Kf=4（由于波形接近于方波，暫按方波考慮），x=-0.14，求解得到50kW變壓器所需AP值為：369.71cm4。
依據(jù)計算所得AP值，根據(jù)某非晶廠家的技術(shù)參數(shù)列表，可供選擇的磁芯有：AMCC-500及其以上型號。但根據(jù)鐵芯損耗評估，和安規(guī)要求，較難實現(xiàn)。因此方案變更為兩顆變壓器模組，每一顆功率處理能力為25kW。重新計算AP值，可選擇磁芯有AMCC-250以上。綜合評估其它因數(shù)，選定磁芯為AMCC-320。
對C型AMCC-320鐵芯，可用設(shè)計方案如下：
從圖3，圖4可以看出由于副邊電流較小，出于對線圈繞組均流的考慮，副邊串聯(lián)，并由于副邊串聯(lián)的作用，原邊繞組電流將會實現(xiàn)自動均流。兩個設(shè)計方案不同之處在于：產(chǎn)生相同的ΔB值，圖3的需求線圈匝數(shù)要多一倍，加上安規(guī)與絕緣的要求，對于AMCC-320磁芯，繞線窗口尺寸偏小，圖3方案不適合應(yīng)用。故本文選定圖4所示結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。
為防止開關(guān)管上、下橋臂直通現(xiàn)象的發(fā)生，并留有一定的裕量，占空比D設(shè)定值不超過0.45。占空比D滿足以下電氣參數(shù)：對于單線包UP=300/2=150V，US=750/4=187.5V，先假定D=0.45，可得Np : Ns=1:1.39，即以此值為參考，設(shè)定原邊匝數(shù)，計算得到副邊匝數(shù)，并比較不同匝數(shù)時，繞組損耗值與鐵芯損耗值是否在合理范圍內(nèi)。
(2)
根據(jù)計算得到的D值和輸入電壓有效值，可得到兩個關(guān)系：
1、可得到此占空比下電流的工作波形，并對電流波形做FFT諧波分解，得到各次諧波下的線圈損耗，并求和可得繞組總損耗。
2、可以根據(jù)下式得到ΔB的值：
(3)
根據(jù)鐵芯損耗計算公式，可求得鐵芯損耗值：
(4)
繞組損耗與鐵芯損耗求和即可得到整個變壓器的總損耗值。
當評定計算值是否優(yōu)化時，需要評估其鐵損與銅損的比例關(guān)系，如圖5中所示多次反復計算，可得到如表2中的各種匝比關(guān)系。
表 2 原副邊的匝數(shù)選擇趨勢
Pri TS 6 8 10 12 14 16 18
Sec TS 8 12 14 16 20 22 24
根據(jù)上表不同的繞組匝比關(guān)系，可得到不同的繞組損耗與鐵芯損耗：從損耗分析中可以得到較為優(yōu)化的設(shè)計方案。
如圖6所示，通過一系列計算，得到了優(yōu)化曲線變化趨勢圖，從圖中可以找到設(shè)計的優(yōu)化點。[#page#]
4 線圈優(yōu)化設(shè)計
對于此變壓器，為了使得能量最大程度的傳遞到副邊，因此對于漏感的減小也需要特別關(guān)注，可以考慮的方案為選用繞線窗口的高度較大的鐵芯，減小窗口的寬度，及采用sandwiched或interleaving結(jié)構(gòu)的繞組布置方式等。
根據(jù)安培環(huán)路定律：
(5)
對于圖7所示的變壓器，由于磁芯采用無氣隙高導磁材料，μ值很高，可得磁芯磁路中的H值約等于零，磁壓降將主要降在繞線窗口中。并且由于變壓器中繞組安匝平衡，等效磁路中磁勢IN=0，也可得到H值約等于零。
其等效磁勢分布圖如圖7所示，對于此繞線窗口高度較高的磁芯，繞組繞滿整個線圈窗口，磁勢分布更均勻，損耗計算誤差較小，且漏感值小。
電路在300V輸入，滿功率運行時，工作電流波形如圖8所示，對其進行諧波分解，可得各次諧波值如表3所示。
表 3 諧波分解表
諧波次數(shù) 基波 1 3 5 7 9 11 13 15
諧波值(A) 0 111 32 15 6 2 3 5 6
根據(jù)以上諧波值，可以得到各次諧波下繞組的損耗，對于特定結(jié)構(gòu)的繞組，可求得最小損耗點，即可選定最優(yōu)厚度的繞組。
由于此變壓器為升壓變壓器，原邊電流大，匝數(shù)少，副邊電流小，匝數(shù)較多，故原邊選用銅箔，副邊選用Litz線。
對于銅箔的選擇，根據(jù)磁場理論基本公式：
(6)
H — 磁場強度；
ω — 工作角頻率；
σ — 電導率；
μ — 磁導率；
j — 虛數(shù)單位。
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
可以根據(jù)以上各式對各次諧波損耗分別計算后求和，找到一個最小的損耗值點。這個優(yōu)化值是從H為零的點到H最高值中每米的損耗值，對于此變壓器，再乘上2MLT即可求得單個線包的原邊側(cè)的線圈損耗值。
同理可根據(jù)Dowell模型把副邊的Litz線等效成的布滿整個繞線高度的薄銅箔，同樣計算得到相應(yīng)的最小損耗值。并根據(jù)此損耗值選擇Litz線的直徑與股數(shù)。
通過多次反復評估繞組損耗與鐵芯損耗的比例關(guān)系，如果不在希望的損耗比例關(guān)系內(nèi)，則改變繞組的匝數(shù)，重新計算，直到最后得到最小損耗的優(yōu)化設(shè)計。
5 仿真分析
對于第4節(jié)中的優(yōu)化設(shè)計，做仿真分析。觀察其磁勢的分布是否與理論分析的結(jié)果一致。
從圖11可以看出與理論分析部分情況基本一致。H值垂直穿過繞線窗口，主要磁勢只在線圈窗口中有降落，在鐵心比較微弱。
仿真分析證明了理論分析的正確性。
6 樣機制作
依據(jù)前面的理論與仿真分析，進行了樣機制作，如下圖所示：
對此變壓器樣機進行了15kHz工作頻率下的相關(guān)測試：包括繞組阻抗，漏感，激磁電感等。
