电力电子变压器中高频变压器的设计方法.pdf

第 5 2卷第 2 3期 2 0 1 5年1 2月 l O日 电测与仪表 Ekc t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me n t at i o n Vo 1 ． 5 2 No ． 2 3 De c ． 1 0， 2 01 5 电力电子变压器 中高频变压器 的设计方法 半 薛伟 ， 郑丽君 ， 高云广 ， 李婧 ， 张晓伟 ， 宋建成 ( 1 ．太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制 山西省重点实验室， 太原 0 3 0 0 2 4 ； 2 ．太原科技 大学 电子信 息工程学院，太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ： 高频变压器是电力电子变压器的核心组成部分 ， 担负着功率传输 、 电压变换和电气隔离等功能。针对当 前高频变压器选型所存在的问题， 提出了一种应用于电力电子变压器中高频变压器的设计方法。基于纳米晶 软磁材料的高磁导性能 ， 选择新型铁基纳米晶作为其铁芯材料 ， 考虑电力电子变压器中移相全桥 D C ／ D C变换 器存在副边占空比丢失的问题， 将面积乘积( A P ) 法与移相全桥 D C ／ D C变换器的理论相结合， 计算了高频变压 器的变比和原副边绕组等参数。通过对高频变压器铁损、 交流电阻、 绕组温升和绝缘强度的测试和分析， 结果 满足设计要求 ， 验证 了设计方法的有效性和可行性。 关键词： 电力电子变压器 ； 高频变压器 ； 纳米晶 ； A P法 中图分类号 ： T M 4 0 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1—1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 2 3— 0 1 1 7— 0 5 De s i g n o f hi g h f r e q ue n c y t r a n s f or me r a pp l i e d i n t h e po we r e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r X u e We i ，Z h e n g L i j u n ， G a o Y u n g u a n g ， L i J i n g ， Z h a n g X i a o w e i ， S o n g J i a n c h e n g ( ．， ．S h a n x i K e y L a b o r a t o r y o f~n i n g E l e c t r i c a l E q u i p m e n t a n d I n t e l l i g e n t C o n t r o l ，T a i y u a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ．2 ．C o l l e g e of E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g， T a i y u a n U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h nol o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： H i f r e q u e n c y t l a n $ f o l l l l~ r ( H F T ) ， w h o s e m a i n f u n c ti o n i s p o w e r t r a n s m i s s i o n ， v o l t a g e c o n v e r s i o n a n d e l e c t r i c a l i s o l a - t i o n ， i s o n e o f t h e m o s t i t r ~ o r t a n t c o m p o n e n t s i n p o w e r e l e c t r o n i c t r an g o n n e r ( P E r ) ． A c c o r d i n g t o t h e t y p e - c h o o s i n g i s s u e o f H F I " ， a d e s i g n m e t h o d f o r I - I F r a p p l i e d i n P E T i s g i v e n； C o mi d e r i n g t h e h i g h ma g n e t i s m c o n d u c t a n c e of m岫 r y s t a l l i l l e s o f t ma g c r a n - t e r i a l ， a n e w t y p e o f i r o n - b a s e d n a n ecr y s t a U i n e i s c h o s e n a s t h e of H F r i n t h i s p a p e r ． A i n fi n g t o th e d u t y r a t i o l o s s p l l e 籼 n o n o f p h a s e - s h i f t f u l l b r i a s e D C ／ D C c o n v e r t e r ， b o th the p r o d u c t o f a r e a me tho d a n d the the o r y of p h a s e — s h i f t f u l l b n a g e I ~I ) C c o n v e ~ e r a r e c o m b i n e d t o d e s i gn t h e H I T ． q h e p a l~e r o f H F T i s c a l c u l a t e d as w e l l a s th e p r i 唧a n d s e c 0 岫w i n d i ng of HF T a J 1 e p r o g r a m me d ．A t l ast ， the e o I e l o s s ， alt e r n a t i ng- c u r r e n t r e s i s t a n c e ， w i n d i n g t e r r r／ ~ r a t u r e ri s e and die l e c t r i c曲 o f HE r a r e t est e d and锄 e d ．I t h a s b e e n s h o w n b y t h e e x p e r i me n t s t h a t the d esi g n me tho d i s e ff ect i v e a n d f e a s i b l e ． K e y w o r d s ： p o w e r e l e c t r o n i c tr a n s f o r m e r ， h i g h~ e q u e n c y t r a n s f o r m e r ， n a n o c r y s t a l l i n e ， A P m e t h o d l 0 引 言 电力 电子变压 器是一种新 型变 压器 ， 采 用了大 功率 电力 电子元器件及 其控制技术 ， 实现 了电力 系 统中电压变换和能量传递等功能。传统电力变压器 只能实现电压变换和电气隔离， 而电力电子变压器 可以灵活调整输入 电流、 输 出电压 以及输入 功率 因 数⋯。 目前 对 电力 电子 变压 器 的研究 处 于初级 阶 基金项 目 ： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 7 7 1 1 3 )； 山西省归 国留 学人员择优资助项 目( 2 0 1 4 ) 段 ， 国 内外 已 制 作 出 可 用 于 配 电 网 络 的 实 验 样 机 ， 如果能进入实际应用阶段， 可用手智能电网 和新能源领域 ， 具有广 阔的应用 前景。电力 电子变 压器基本原理如图 1 所示。 ． 。 图 1 电力 电子 变压 器原 理 图 F i g ． 1 P r i n c i p l e s c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e P E T 一 1 1 7 一 一 一 —流 块 一 虱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 3期 2 0 1 5年l 2月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e ~ s u r e me n t＆ I n s t r u me n ~ fl o n 、 r 0 I ． 5 2 NO ． 2 3 De c ． 1 0， 2 0 1 5 目前 ， 对于应用于 电力 电子变压器 中高频 变压 器的 设计过程 中所 面临的主要问题是磁芯选取 、 绕组计 算和绕组绕制方法确定等。文章针对以上问题设计 了一台高频变压器实验样机。文章所设计 的高频变 压器可应用于电力 电子变压器的 D C ／ D C模块 中， 其 性能好坏直接影 响电力 电子变压器 的效率 、 运 行成 本、 体积重量、 可靠性等指标 J 。 文 中选择了新型铁基纳米 晶作为高频变压器 的 铁芯材料 ， 提 出了高频变压器新 的设计方法 ， 对新设 计的高频变压器进行 了实验测试 ， 分析 了实验结果 ， 验证了设计方法的有效性和可行性。 1 高频变压器设计 高频变压器 是电力电子变压器 的 中间环节 ， 位 于移相全桥 D C ／ D C模 块 中， 移相全桥 D C ／ D C变 换 器的主电路拓扑结构如图 2所示。直流输入 电压 经过全桥逆变器、 高频变压器、 输出侧整流滤波器得 到所需要 的直流电压 ， 。 为整流输 出电压。Q Q ： 组成超前桥臂的相位超前于 Q 和 Q 组成滞后桥臂 的相位 ， 超前相位角 ， 即移相角为 6 ， 通过调节移相角 6的大小来达到调节输出电压 的目的 引。 L f ● + ． cf ‘ 图2 移相全桥 D C ／ D C变换器结构图 F i g ． 2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e p h a s e — s h i ft f u l l b rid g e DC／DC c o n v e r t e r 本文设计的高频变压器 的技术指标如下 ： 功率 等级 P为 1 ． 5 k W， 视在功率 为 3 ． 1 k V A， 开关频率 为 2 0 k H z ， 输入 电压 为 3 1 0 V， 输 出电压 为 1 1 0 V ， 一次侧最大电流有效值 ， 为6 ． 4 A， 二次侧最 大电流有效值 ， 2 为 1 4 ． 8 A， 高频变压器的效率不低 于 9 5 ％ ， 绝缘电阻和耐压强度需达到 G B ／ T 1 4 6 8 0 ． 1 — 2 0 1 2国家标准。 1 ． 1 高频 变压 器磁 芯选择 与普通工频 变压器不 同， 高频变压器必须 长期 工作在 4 0 0 H z ～1 0 0 k H z的高频环境下， 磁芯的选择 对于变压器的设计非常重要。 目前常用的高频磁芯 材料 主要有纳米晶、 超微晶材料、 坡莫合金 、 Mn — Z n铁 氧体等， 铁基纳米晶铁芯与铁氧体铁芯基本磁性能 一 1 1 8 一 的对 比情况如表 1所示 。 由表 1可得 ， 与传统 的软磁铁氧体材料相 比， 非 晶合金原子排列无序 ， 电阻率低 ， 导磁率高 ， 损耗低 ， 是性能优 良的软磁材料 ] ， 可替代硅钢 、 坡莫合金和 铁氧体等传统 的高频变压器铁芯材料 ， 可以提高效 率、 降低能耗 、 缩小体 积、 减轻重量 。本文选 用安泰 科技股份有限公司的铁基 纳米 晶材料作 为高频变压 器的铁芯。 表 1 铁基纳米晶铁芯与铁氧体 铁芯基本磁 性能对比( 2 0 k H z ) T a b ． 1 P e r f o r ma n c e c o mp a ri s o n o f i r o n - b a s e d n a n o c r y s t a l l i n e c o r e a n d f e r r i t e c o r e ( 2 0 k H z ) 1 ． 2 高频 变压 器铁芯的设计 A P( 面积乘积 ) 法和 磁 ( 几何参数) 法是高频变 压器的两种设计 方法。A P法是求 出铁芯窗 口面 积 A 与铁芯有效截面积 。 的乘积 A P， 根据 A P值选择 所需的铁芯。 。 法是求出铁芯几何参数， 根据几何 参数选择铁芯。A P法设 计简单 ， 步骤 明确 ， 是高频 变压器最常用的设计方法 _ 6 ’ 加 J ， 本文选择 A P法进行 设计 ， 即 ： A P =A 。 A ：( P T ~1 0 4 ( 1 ) 式 中 为变压器工作频率 ， 取 2 0 k H z ； B w 为工作磁通 密度 ， 取 0 ． 3 7 T； K o 为窗 口占空系数 ， 取 0 。 4 ； 为波 形系数 ， 方波取 4 ． 0 ； K 为绕组的电流密度 比例系数 ， 取 2 3 0 ； 为与磁芯相关 的常数 ， 取- ( ) ． 1 7 。将参数代 人式( 1 ) 可得 A P值为 1 8 ． 3 3 c m 。 根据所计算的A P值， 选用型号为 O N L 1 0 0 6 0 2 0 环形铁基纳米 晶作 为高频 变压器 的铁芯材料 ， 其结 构如图 3所示 。 1 ． 3 高频变压器变比计算 本文所设计的高频变压器是电力 电子变压器 中 移相全桥 D C ／ D C变换器 的关键 部分。在变压 器原 边电流 i 换向时 ， 电流值逐渐减小 ， 这样副边就丢失 了部分电压方波 ， 使 得变压 器副边 电压 降低 ， 所 以， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 3期 2 0 1 5年l 2月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r ume n t a t i o n V0 I ． 5 2 No ． 2 3 De c ． 1 0． 2 01 5 在计算变压器的变 比时必须考虑副边 占空 比丢失问 题 。移相全桥 D C ／ D C电路的主要波形如图 4所示 。 图中的阴影部分为副边丢失 的电压方波 ， 为高频 变压器原边 电压波形 。因此 ， 在设计变压器 时， 必 须考虑移相控制方案存在副边 占空比丢失的问题 。 ◎ 图 3环 形磁 芯结 构 图 F i g ． 3 S t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e ri n g - s h a p e d ma g ne t i c c o r e Ql Q 2 Ql r 厶 I Q 4 I I {2 3 1I l 一 卜 、 ● q 4 f 、＼ |i -- _， 一， l ＼ ＼ 、 图4移相全桥 D C ／ D C电路 的主要波形 F i g ． 4 Wa v e f o r m o f p h a s e - s h i ft f u l l b ri d g e DC／DC c o n v e ne r 与应用于其 它场合 中的高频变 压器相 比， 在计 算高频变压器变比时需要考虑副边 占空 比丢失 的问 题。本文选择副边最大占空比D ( 一) 为0 ． 8 5 ‘ 4 ] ， 根 据式( 2 ) 可计算出副边电压的最小值： ．， +2vo + ⋯ V se e ( m in ) —瓦 式 中 。 f m i ) 为副边 电压 的最小值 ； v o为输 出电压 ； 为输 出整流二极管 的通态压降 ， 取 1 ． 5 V； V L为输 出滤波电感的直流压降， 取 0 ． 1 V 。代人计算式 ( 2 ) 可得 e c c i 为 1 3 3 V。 高频变压器原副边变比： K= Vi n = -2 _ 3 3 ( 3 ) 1 ． 4 高频变压器绕组计算 原边绕组 的匝数 Ⅳ1 按照式 ( 4 ) 计算 ] ， 即： T ， N 1 丽r in ( 4 ) 各参数如式 ( 1 ) 所示 ， 为输人 电压 ， 取 3 1 0 V； 根据所选取磁芯尺寸 ， 。 取 3 c m ； 计算式 ( 4 ) 可得 Ⅳ1 为 3 4 ． 9 1匝 ， 同理计算 副边绕 组 的匝数可 得 Ⅳ 2为 1 5 ． O 2匝， 选择原边绕组 Ⅳ。 为 3 5匝 ， 副边 匝数 Ⅳ 2 为 1 5匝 。 在选择变压器绕组 导线的线径 时， 需要考 虑导 线的集肤效应 。因为变压器工作在高频条件下， 集肤效应影响较大。根据穿透深度 △ 的大小来选取 线径 ， 导线 线径应 小于 2 △， 穿透 深度 根据式 ( 5 ) 计 算 ] ， 即 ： A = ( 5 ) 式中 ∞为角频率， t O ： 2 ； ／X o 为铜在真空中的磁导 率 ， =4 1 T 1 0 ～H ／ m； y为铜 的电导率 ， =5 8 X 1 O ／ ( Q m) ， 计 算 式 ( 5)可 得 ， 穿 透 深 度 △ 为 0． 4 7mm。 因此 ， 必须选取半径小于 0 ． 4 7 m m的导线 。本文 选取的导线半径为 0 ． 3 0 m m的漆包线 ， 漆包线 的电流 密度 ， 0 一般为 3 ． 5 A ／ mm ， 因此每股导线能流过的电 流 J 『 为 0 ． 9 6 A。 原副边绕组 的导线股数 T t ， ， n ： 可通 过式 ( 6 ) 计 算 ， 即： ， 1 ．2 ，2 亍 ( 6 ) 由式 ( 6 ) 可得 ， r t 为 6 ． 6 7, r t 2 为 1 5 ． 4 ， 选取原边 绕组的导线股数为 7股， 副边绕组的导线股数为 1 6 股 ， 且每匝线圈采用厚度为 0 ． 0 7 5 m m 的亚胺带绝缘 隔离。 1 ． 5窗 口面积校核 本文选取的磁芯型号为 O N L ． 1 0 0 6 0 2 0 ， 其外径 D 为 1 0 0 m m， 内径 d为 6 0 ram， 高度 h为 2 0 mm， 铁芯骨 架厚度 t。 为 1 m m 。计算原边绕组单匝的直径 D 和 副边绕组单匝的直径 D ， 即： D P - s=咖 n 1 ． 2 ( 7 ) 根据式( 7 ) ， D P 为 4 ． 1 3 mm， D s 为 9 ． 4 4 m m。 1 ． 5 ． 1 高频变压器内径 D 的计算 原边绕组每层匝数 n 。 可通过式( 8 ) 计算 ] ， 即： 一 11 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 3期 2 0 1 5年1 2月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t＆ I n s t r u me n t a t i o n VD J ． 5 2 No ． 2 3 De c ． 1 0， 2 0 1 5 n p： ( 8 ) 式中 d 为带骨架后铁芯的内径 ， 其值为 内径 d与铁 芯骨架厚度 2 。 之差 ， 经过计算 ， 取 5 8 m； 为绕组的 叠绕系数 ， 取 1 ． 1 5 ； D 为原边单匝绕组 的直径。由 式( 8 ) 可得 凡 。 为 3 8 ． 3匝 ， 则原边绕组的层数 C 根据 式( 9 ) 计算 ， 即： r 等 (9 ) 由式( 9 ) 可得 C 为 0 ． 9 1 ， 因此取 C 。 为 1层 ， 初 级绕组总厚度 可通过式 ( 1 0 ) 计算 ， 即 ： H1：C 1 D k ( 1 0 ) 计算式( 1 0 ) 可得 为 4 ． 7 5 m m， 则完成原边 绕 组后高频变压器的内径 D 可通过式 ( 1 1 ) 计算 ， 即 ： D1=d 1—2 ( +t 1 ) ( 1 1 ) 式中 t 为原边绕组亚胺带的绝缘总厚度 2 ． 6 5 ra m。 由式( 1 1 ) 可得原边绕组绕制完成后高频变压器的内 径 D 为 4 3 ． 2 mm。 1 ． 5 ． 2 高频变压器内径 D ： 的计算 D 为副边绕组绕 制完成后 高频 变压器 的内径 ， 其计算方法与完成原边绕组后高频变压器 的内径 D 的计算方法 相 同， 由式 ( 8 )～式 ( 1 1 ) 可得 D 值 为 1 2 ．5 8 mm。 本文采用原副边绕组分层交叉缠绕法绕制高频 变压器。通过 以上计算 可知 ， 原 副边绕组绕制完 成 后 ， 高频变压器的内径为 1 2 ． 5 8 m m， 磁芯尺寸符合要 求 。本文所设计 的 1 ． 5 k W 高频变压 器样机如 图 5 所示 。 图 5 1 ． 5 k W 高频 变压 器 F i g ． 5 1 ． 5 k W h Ji g h f r e q u e n c y t r a n s f o r me r 2 高频变压器的测试与分析 本文通过对高频变压器 的铁芯损耗 、 交直流绕 组 电阻、 绕组温升 与功率损耗 的关系 以及其绝缘性 能进 行 了测 试 ， 以验 证 本文 所提 出设 计方 法 的可 行 性 。 一 1 2 O 一 2 ． 1 高频 变压 器铁损计算 铁损是高频变压器损 耗的主要部分 ， 是衡量 高 频变压器效率的重要参数 。铁损 大约 随工作频率的 1 ． 2次 方 增 加 ， 随 工 作 磁 感 应 强 度 的 2 ． 4次 方 增 加 E 9 J 。 根据安泰科技 的铁基 纳米 晶铁 芯的技 术资料 ， 在不同工作频率 和不同磁感应强度下 ， 依据 式 ( 1 2 ) 对所制作的高频变压器铁损 P 进行测量， 并与传统 铁氧体磁芯的铁损进行 比较 ， 测量结果如表 2所示 。 P c=P 0 0 m ( 1 2 ) 式 中 P ∞为单位质量 的铁损 ， m为铁芯质量。 表 2不同材料 、 不同工作条件下的铁损 Ta b． 2 Co r e l o s s wi t h d i f f e r e nt ma g ne t i c ma t e r i a l s a n d d i f f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s 由表 2的数据可知 ， 在工作频率为 2 0 k H z ， 0 ． 2 T 时， 采用纳米晶铁芯 的铁损最小 ， 明显低于铁氧体铁 芯的铁损 。当增 大工作频率和增 加磁感应强度 时， 涡流损耗增加 ， 造成铁损明显增加 ， 实验结果与理论 分析相吻合。 2 ． 2 高频 变压 器交流电阻测量 本文采用高频精密 L C R数字 电桥 ( T H 2 8 1 7 C ) 测 量高频变压器的原副边绕组的交流电阻。交流电阻 与频率关系的实验值和计算值如图 6所示。 曼 器 十原边绕组电阻／ n实验值 — 原边绕组 电阻／ n计算值 一 次级绕组电阻／ n实验值 — 一 次级绕组电 阻／ n 计算值． 0 1 0 0 1 k 1 0 k 1 0 0 k ，频率／ H z 图6绕组 电阻与工作频率的关 系 Fi g ． 6 Re l a t i o n s h i p b e t we e n wi n di ng r e s i s t a n c e a nd wo r k i n g f r e q u e n c y 根据图 6， 在频率低 于 1 0 k H z时， 交流电阻与直 流电阻差别微小。随着频 率增 加 ， 特别 是在频率 为 1 0 0 k H z时， 交流电阻与直流电阻差别较大， 而且交流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m