大功率高频变压器设计考虑

基于传输/储存容量
对变压器
AP Ae Aw
(
U p _ rms
) ( 2N p I p _rms )
4.44 f N p Bm
J Ku
2S
4.44 f Bm J Ku
磁芯总体尺寸
对电抗器
AP Ae Aw
( L 2I rms ) ( N Irms )
N Bm
J Ku
i2*N2
i1*N1
i1*N1
R3
R1
R3
R1
F2
F1
i1
N1 R1
L1o
1 i1
F1 N1 i1
N12 R1
N2端电感@N1短路 L2s
i2*N2
R3
R1
F2
i2
N2 R3
L2s
2 i2
F2 N2 i2
N
2 2
R3
L1o Lm / n2
Lm
L2o Lk Lm
n
L2s Lk
Lk
电路参数
硅钢片
非晶/纳米晶
大功率磁芯材料选择
磁粉芯
铁氧体
非晶/纳米晶，或铁氧体是大功率高频 变压器的主流选择
但要根据具体设计参数考虑
17
非晶带绕磁芯的附加损耗
磁通垂 直薄带
气隙切口 绝缘破坏
内拐角局部饱和 改变磁通方向
带绕磁芯仅对平行方向的磁通引起的涡流损耗有抑制的效果； 开气隙后，存在切口端部和垂直薄带的磁通，会带来附加涡流损耗； 在内拐角处，存在局部磁芯饱和，使得磁通偏移薄带方向，造成涡流。 18
副边漏 磁通
绕组 损耗
1 2 电场分布
ip
1
磁场分布
Lkp n:1
Lks is
3
Np
Ns
理想变压器
Lm
2
4
实际变压器(磁场+电场+电流场)
10
高频变压器等效电路模型
1
ip im
2
3
is
4
Lk
1
n:1
3
Lkp
Np:Ns Lks
1
3
Lm
L’m
2
4
漏感全部则算到原边，即令Lsk=0
2
4
固定变压器变比，即令n=Np:Ns
2、优化算法
Βιβλιοθήκη Baidu
10 0.1
B (T) m
待优化参数
优化算法
Mathcad 损耗计算
程序
Pw
3、寻优过程
50 优化目标
40 30 20
面积Ae 或匝数N
10
变压器匝比 约束条件
磁密、窗口等 约束条件
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Designed ID
对优化来说，关键是磁芯和绕组损耗模型的准确且实用最为关键 匝数或磁芯截面是关键的优化变量，两者同时也会影响气隙大小 16
N2端电感@N1开路 L2o
i2*N2
R3
R1
F2
i2
N2
(
1 R1
1 R3
)
L2o
2 i2
F2 N2 i2
N22
( 1 R1
1) R3
12
由电磁场仿真计算等效电路参数
通过仿真得到的电感矩阵，可 以得到自感L1、L2和互感M
L1 Lk Lm L2 Lm n2 M Lm n
n L2 / M
大功率高频变压器设计考虑
1
主要内容
大功率高频磁元件应用背景 电力电子变压器(PET)与高频变压器特性 大功率高频变压器的模型及其参数 大功率高频变压器基本设计方法 大功率高频变压器磁芯材料 变压器绕组与损耗 小结
2
电气工程应用领域
发电
控制/电子/测量
输变电
配电
变换
用电
电磁技术是几乎所有电气装备的基本工作原理
损耗P
电流密 度分布
10kHz
1kHz 实心
损耗最小线规与导体形状（园/箔/管），频率，绕组层数，绕组布局都有关系
20
变压器绕组的磁场分布特点
负载（变压器）电流激励 激磁（电感器）电流激励
电流密
200
度分布
100
is2( t)
ip
ip2(t) 0
im( t)
im：电感器分量
- 100
is：变压器分量
11
outlet
0.8
00
3 10
Ww
0.6
00
3 10
Ww
00
3 10
Ww
0.4
高频损耗
0.2
------
00
2 10 4
-5 5 10
4 10 4
导体厚度
6 10 4 Ww
8 10 4
-3 1 10
inlet
9
原、副 边电荷
副边 电荷
原边 电荷
34
高频变压器物理模型
原边漏 磁通
激磁 磁通
磁芯 损耗
15
磁性元件优化设计
P (kW/m3) cv
总损耗（W）
1、损耗模型
理论 模型
J
y
(
x)
k
H1
cosh[k
(d - x)] - H sinh(kd )
2
cosh(kx)
仿真 模型
损耗P=Pc+Pw Pc
测试 模型
10000 1000 100
实 验 -f=50kHz 实 验 -f=100kHz 实 验 -f=150kHz 实 验 -f=200kHz 实 验 -f=250kHz 实 验 -f=300kHz 模 型 -f=50kHz 模 型 -f=100kHz 模 型 -f=150kHz 模 型 -f=200kHz 模 型 -f=250kHz 模 型 -f=300kHz
- 200
0
1.25
10- 52.5
10- 53.75
10- 5 5
10- 5
对有气隙变压器t ，要分别
考虑变压器分量电流和电
感器分量电流引起的损耗
磁场 分布
变压器分量损耗减小方法：绕组三明治、交错布置，线规优化 电感器分量损耗减小方法：分布气隙、气隙避让、多股绞线
21
增加漏磁路面积
增大漏感--增大漏磁通
电力电子技术已经渗透到几乎全部电气领域各个学科
3
新能源发电
太阳能发电
风能发电
集成变压器/电抗器
电力系统应用
隔离变压器
柔性电网
换流站
无功补偿器
变压器: 工频大电流，高电压
i
i
i
电抗器: 工频大电流+高频小纹波
t
t
t
4
变频传动
交流输入 电抗器
直流电抗器
交流输出 电抗器
传动系统应用
电动汽车
多波头整流变压器
H
提高漏磁路磁导
磁芯
PS SP
PS SP
保证原、副边绕组高压绝缘，往往导致漏感太大，这时可考虑降低匝数；
但减少匝数，磁通增加，磁芯损耗又会增大。
22
结论
电力电子变压器有广阔的应用背景与发展潜力 电力电子变压器(PET)的系统架构基本定型 大功率高压高频变压器是PET发挥优势的瓶颈 大功率高频变压器不能套用电力变压器设计套路 是电场(绝缘)、磁场(电感)、涡流场(损耗)和热场(散热)的综合系统 需要PET系统架构设计与变压器参数要求紧密协同（变压器规格） 对变压器的设计和制造的配合提出了很高要求 大功率高频变压器的测试技术（设备+方法）还需加强 对变压器各个细节的考虑和优化十分重要，也有很大改善机会
物理匝比 NP NS
开路变比 UP Lm Lk n
US
Lm
等效变比 n
电感变比
LP LS
Lm Lk Lm / n2
Lm Lk n Lm
负载变比 U P US
11
由磁路结构计算等效电路参数
F3
i2
F2
F1 i1
u1
磁路结构
Lk
n:1
2 Lm
1
等效电路
磁路图
F3
F1
N1端电感@N2开路 L1o
Lm M 2 / L2
Lk L1 - M 2 / L2
13
变压器等效电路参数的测量
Lk
n:1
Lpo
Lm
Lk
n:1
Lpo Lk Lm
Lm
Lm
Lso
Lso Lm / n2
Lps Lk
n Lk
Lk
n:1
Lps
Lm
合适的模型要满足：参数可测量，便于应用分析。
14
传统磁元件设计方法的局限
AP法选磁芯大小： AP Ae Aw
1.25
10- 52.5
10- 53.75 t
10- 5 5
10- 5
8
大功率高频变压器的特点
全高频+大电流，绕组设计更加重要（涡流效应大）； 制造成本高，周期长（难以试错）； 工作频率相对低（几kHz-几十kHz）； 发热/温升矛盾突出（损耗密度大，热设计重要）； 音频噪声严重（降噪措施有限）； 变压器需要开气隙（严重的临近效应损耗）； 杂散涡流损耗大（金属构件多） 变压器电磁参数控制严格（漏感、激磁电感，设计困难） 绝缘设计重要（高压应用，导致漏感难以做小）
采用气隙避让
Gap
产生励磁电感--增加气隙
Jmax=386A/mm2
Gap
Jmax=219A/mm2
采用分布气隙
气隙避让空间大小大体按3倍气隙，但具体优化需要仿真确定；
分布气隙个数也可参考3倍原则，但优化需要仿真确定。
19
存在一个损耗最小的绕组导体线规
H1=0, H2=1 5kHz
2kHz
箔厚度（mm）
L 2I 2
rms
Bm J Ku
简单公式算匝 数和气隙：
Urms 4.44 f N Ae Bm
Lm
0
N la
Ae
L Im N Ae Bm
L 0 N Ae la
主要局限: Bm 和J 是关键，但难以预先给定，更多是凭经验和手册
只是选择磁芯的方法，不是设计磁芯。 是基于电参数的可行计算，不是基于损耗的设计 是基于经验手册的设计，不是基于优化的设计
LLC谐振变换器的电压调整范围受负载影响较大，难以实现与DAB变换器相同 的宽电压范围控制。
7
LLC电路基本工作波形
ip Lr
n
is
Lm
im
Lr, Lm和n是三个关键磁件参数;
希望三个磁元件能够集成在一个 磁芯结构上。
200
100
is2( t)
ip
ip2(t) 0
im( t)
- 100
im is
- 200 0
电力电子变压器基本拓扑
DBA（双向有源全桥）--- 移相控制
LLC（谐振变换器）--- 变频控制
LLC谐振变换器相较于DAB变换器能够在更宽的负载范围内较好地实现全部器 件的ZVS及变压器二次侧器件的ZCS，有利于减少损耗。
虽然LLC谐振变换器的软开关范围较大，但是由于其存在谐振过程，会导致器 件所承受的电压电流应力较大。
控制器机壳
高压 蓄电池
AN
GND
GND
直流 线缆
直 母线 U 流 电容 母 排
V W
AN
GND
GND
GND
交流线缆 屏蔽层
GND
电机机壳
GND GND
GND
双向DC/DC 变换器
电控逆变器
车载充电机
充电桩
5
电力电子变压器（PET）
传统电力变压器 电力电子变压器（PET） 大功率高频变压器：高频、大电流、高电压 体积小，重量轻，无污染； 具有变压、隔离、双向传能三个基本功能； 一、二次侧功率、电压/电流、功率因数、 无功、谐波等平滑可调可控； 兼有断路器或限流器保护功能； 效率低、成本高（制造+运维）、可靠性差 6
23
谢谢! Q&A
24