平面高頻變壓器在電磁干擾處理中的應(yīng)用

平面高頻變壓器在電磁干擾處理中的應(yīng)用

平高頻傳感器是一種新型的傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它不僅具有便于安裝的外觀結(jié)構(gòu)外，還具有低泄漏感、低破壞、頻率高、透熱性好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。正是基于它的這些優(yōu)勢,平面變壓器目前廣泛應(yīng)用于帶隔離環(huán)節(jié)的光伏逆變電路中,并且肩負(fù)著整個光伏逆變電路能量轉(zhuǎn)換的重要任務(wù),因此它設(shè)計的好壞直接影響著整個光伏逆變系統(tǒng)的性能。1平面變壓器磁芯傳統(tǒng)的繞線變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構(gòu)成,匝數(shù)較多,體積大而且容易產(chǎn)生電磁干擾。平面變壓器大多采用平面EE型、EI型或RM型鐵氧體磁芯,高度要比普通磁芯低很多,材料通常采用高功率鐵氧體,在高頻下有較低的磁芯損耗。平面變壓器繞組不采用漆包線繞組,大多采用多層印刷電路板(PCB)疊繞而成,因此平面變壓器在外形結(jié)構(gòu)上則呈現(xiàn)扁平狀或超薄型。此結(jié)構(gòu)特點不僅易于安裝且便于散熱,能夠適用更多場合的應(yīng)用。平面變壓器磁芯除了所選用磁性材料由工作頻率決定外,它的磁芯高度和磁芯底面積大小應(yīng)由允許安裝的高度和安裝面積來確定,螺旋導(dǎo)線的寬度和厚度由變換器輸出負(fù)載電流的大小決定。各層電路板之間放了絕緣層,保證了繞組之間有足夠的絕緣強度。2變壓器鐵芯的選取平面變壓器的設(shè)計大多采用估算和試探的方法,并且結(jié)合變壓器加工單位的技術(shù)水平共同決定變壓器鐵芯的選取,這就對變壓器設(shè)計者的經(jīng)驗要求比較高,下面給出平面變壓器的一般設(shè)計流程:1)計算輸出總功率Po。輸出功率Po為各個輸出支路之和,設(shè)第i條支路的輸出電壓、電流為Usi、Isi,則有Ρo=∑iUsiΙsiPo=∑iUsiIsi2)磁通密度B和工作電流密度J的確定。工作磁通密度B的確定決定了鐵芯的損耗,太大則增加了磁芯損耗,太小則會使整體變壓器設(shè)計結(jié)構(gòu)變大,通常選定B為飽和磁通密度的1/2到2/3。電流密度J并不能決定高頻變壓器的交流損耗,它一般只能決定直流損耗,但是在平面變壓器設(shè)計中,因為一般繞組比較薄,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2倍集膚深度,所以集膚效應(yīng)可以忽略。可近似認(rèn)為繞組損耗與電流密度J唯一相關(guān),表1為在允許溫升條件下的工作電流密度。3)平面變壓器鐵芯的選取。在平面變壓器實際制造過程中,一般采用單層板雙面繞制的制作工藝。這種技術(shù)實現(xiàn)起來較為容易,而且窗口的利用率比較高,但是為了便于分析計算,在設(shè)計時假設(shè)兩個印制板之間的絕緣厚度與印制板本身厚度相等,于是可以將單層雙面板的問題簡化為單層單面板來求解,簡化了變壓器鐵芯選取的計算公式。平面變壓器鐵芯的橫截面如圖1所示,其中窗口長度設(shè)為a,高度為b。繞組結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中繞組寬度設(shè)為W,繞組高度設(shè)為Wh,繞組間距為Wd,繞組與印制板邊緣的距離為d,印制板厚度設(shè)為H。設(shè)h為每層印制板所占的高度,由圖2可知h=H+Wh。但考慮到實際設(shè)計時,印制板表面所附絕緣材料和結(jié)構(gòu)上的縫隙等問題,這里引入一個高度系數(shù)kh,可令h=kh·H,其中kh一般為1.1～1.3。同樣為了方便計算,將繞組到印制板端部的距離d近似等于繞組寬度W的一半。每層印制板所能布下的繞組匝數(shù)為n=a-2d+WdW+Wd=aW+Wdn=a?2d+WdW+Wd=aW+Wd鐵芯窗口所能安裝下的印制板層數(shù)為m=bkh?hm=bkh?h平面變壓器初次級繞組的匝數(shù)為Νp=np×mp=aWp+Wdp×bpkh?Η(1)Νs=ns×ms=aWs+Wds×bskh?Η(2)Np=np×mp=aWp+Wdp×bpkh?H(1)Ns=ns×ms=aWs+Wds×bskh?H(2)式中:np、ns分別為初、次級繞組每層匝數(shù);mp、ms分別為初、次級繞組的印制板層數(shù);Wp、Ws分別為初、次級繞線的寬度;Wdp、Wds分別為初、次級繞線間距;bp、bs分別為初、次級所占窗口高度。根據(jù)變壓器的基本計算公式可知初次級繞組匝數(shù)為Νp=UpΚfBAcf?Νs=UsΚfBAcf(3)式中:Kf為波形系數(shù);B為工作磁密;Ac為鐵芯有效截面積;f為工作頻頻率。將式(1)、(2)合并可得a×b=a×bp+a×bs=Νpkh(Wp+Wdp)Η+Νskh(Ws+Wds)Η(4)設(shè)一次側(cè)電流有效值為Ip,二次側(cè)電流有效值為Is,根據(jù)原、副邊繞線電流密度相同時溫升最小原則,這里設(shè)原、副邊電流密度均為J,則有以下公式:Wp=ΙpJ?Η?Ws=ΙsJ?Η(5)將式(3)、(5)帶入式(4),并將等式兩邊同時乘以鐵芯有效截面積Ac,可得面積乘積的計算公式為AΡ=khΗ(1+η)ΚfBfJWhηΡo+khΗΚfBf(UpWdp+UsWds)(6)式中:AP為窗口的面積乘積;η為效率;Po為輸出功率。4)根據(jù)式(3)、(4)計算初次級繞組匝數(shù)。5)計算繞組電流。6)根據(jù)式(5)確定各繞組寬度。7)計算損耗。變壓器損耗分為銅損和鐵損,在忽略集膚效應(yīng)的條件下,銅損的計算公式如下:ΡCu=∑iΙ2iρΜLΤiΝiWiWh式中:ρ為銅的電阻率;MLTi為第i條繞組平均匝長;Ni為i支路繞組匝數(shù);Wi為i支路繞組寬度。鐵損的計算公式一般按照鐵芯所用材質(zhì)結(jié)合鐵芯質(zhì)量計算得到:ΡFe=Ρ1Fe×ΜF(xiàn)e式中:P1Fe表示單位質(zhì)量上的鐵損,MFe為鐵芯質(zhì)量。8)估算溫升ΔT。ΔΤ=450(ΡCu+ΡFeAt)0.826式中,At為變壓器鐵芯總的表面積。3高頻變壓器的參數(shù)計算基于高頻隔離光伏逆變拓?fù)潆娐分兴枳儔浩鞯闹饕夹g(shù)參數(shù)如表2所示。依據(jù)變壓器工作頻率選取繞線厚度為0.15mm,變壓器工作狀態(tài)下溫度選取允許最大溫升的一半,從而確定工作電流密度。查表1可得J取50A/mm2,高度系數(shù)kh取1.3,印制板厚度H取0.8mm,一次側(cè)繞線間距Wdp取0.5mm,二次側(cè)Wds取0.6mm,此外輸出功率Po、波形系數(shù)Kf、工作磁密B、工作頻率f變壓器設(shè)計參數(shù)要求已經(jīng)給定。將上述各個參量帶入式(6),可得到鐵芯的面積乘積為AP=25653。根據(jù)計算得到的面積乘積,在選取鐵芯時,被選取鐵芯應(yīng)當(dāng)大于計算得出的AP值,這里選取新康達(dá)公司生產(chǎn)的PEE58/11/38平面型EE鐵芯,其各項參數(shù)規(guī)格如下:鐵芯型號為PEE58/11/38;制造商為新康達(dá);磁性材料為LP3;平均匝長為MLT=6.1cm;磁芯質(zhì)量為WtFe=45g;鐵芯截面積為Ac=2.27cm2;窗口面積為Wa=1.44cm2;表面積為At=52cm2。在鐵芯選定后,依據(jù)高頻變壓器的設(shè)計步驟得到3kW高頻變壓器的參數(shù)計算清單如表3所示。根據(jù)表3計算清單提供的變壓器各項參數(shù),運用ANSOFT旗下的PEMAG軟件建立平面變壓器的仿真模型,如圖3所示?；谄矫孀儔浩鞴ぷ黝l率考慮,本文所設(shè)計的變壓器繞組采用對稱交叉換位結(jié)構(gòu)布局,即PSSPPS結(jié)構(gòu)。其中P指初級繞組,而S則表示次級繞組,每層繞組間為空氣絕緣,層與層之間為印制板和絕緣層的等效絕緣。4工作頻率的影響利用ANSOFT公司的Maxwell二維有限元分析軟件對所建立的平面變壓器模型繞組的直流電阻、交流電阻、漏感等參數(shù)進行測量分析。圖4、圖5分別表示該模型初、次級繞組交流電阻隨頻率的變化關(guān)系。從圖4、圖5中可以看到,由于受到高頻效應(yīng)的影響,隨著工作頻率的升高,原副邊交流電阻的阻值上升比較明顯,當(dāng)頻率達(dá)到100kHz時,交流電阻值大約上升到直流電阻阻值的4倍。當(dāng)工作頻率到達(dá)50kHz時,即3kW隔離逆變拓補結(jié)構(gòu)的指定工作頻率,交流電阻為直流電阻的2倍左右。由于采用了0.15mm的薄印制繞線,基本可以忽略集膚效應(yīng)的影響,所以造成直流電阻與交流電阻差異這一現(xiàn)象的主要原因是繞組結(jié)構(gòu)受到了鄰近效應(yīng)的影響,并且隨著印制板層數(shù)的增加,鄰近效應(yīng)造成的額外交流電阻值呈指數(shù)增加,因此在進行平面變壓器設(shè)計時應(yīng)注意控制印制板的層數(shù)。圖6、圖7給出了初、次級繞組的漏感值?？梢园l(fā)現(xiàn),工作頻率的變化對漏感的影響并不大,這是因為漏感表示的是線圈間相互不交鏈的漏磁通所產(chǎn)生的電感,主要與線圈尺寸﹑繞組排列結(jié)構(gòu)及匝數(shù)等幾何因素有關(guān)系。將設(shè)計得到的模型導(dǎo)入到Maxwell環(huán)境中進行有限元分析,結(jié)果如圖8—圖10所示。在變壓器實際繞制過程中,受到變壓器加工單位技術(shù)工藝的限制,無法通過隨意調(diào)整每層印制板繞線間的間距來完全規(guī)避邊緣效應(yīng)的影響,在原副邊繞線的端部存在一部分漏磁通,而且此處的磁場強度和電流分布密度比其他部分要弱,帶來