潍坊直流脉宽调制调速电源设备：合肥工大学者提出一种中压绝缘大功率中频变压器的优化设计方法

潍坊直流脉宽调制调速电源设备：合肥工大学者提出一种中压绝缘大功率中频变压器的优化设计方法由于铁心磁导率不是无穷大，故实际MFT会存在漏磁通。一方面，漏磁通形成的漏感可被LLC谐振变换器、隔离型DC-DC变换器等用作能量传递元件。LLC谐振变换器因具有全负载范围内实现软开关的特性而被广泛使用。LLC谐振变换器使用漏感作为谐振电感时，漏感越小使得LLC谐振变换器的谐振电容电压应力越小；另一方面，因为模块化DC-DC变换器的功率密度较高，MFT的高频漏磁通产生的电磁干扰可能会在周围电路上产生感应电压和电流，同时产生额外损耗，从而降低电路稳定性和变换器的效率。因此，在设计MFT时应尽量减少漏磁通或对其进行屏蔽。一般选择低损耗密度的铁心材料（如铁氧体、纳米晶）可以降低铁心损耗。通过降低绕组交流电阻和直流电阻的比值（称为交流电阻因子），可以降低绕组的交流损耗。交流电阻因子主要受趋肤效应和邻近效应的影响。绕组选择利兹线或者铜箔可以有效地降低趋肤效应的影响；改变绕组排布（绕组层数）和铁心尺寸

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应用于光伏并网系统的中压绝缘大功率中频变压器（MFT）不仅要求其高低压侧绕组之间需要满足较大的绝缘间距，而且其内部也需要浇注隔热的绝缘材料。然而，这会导致MFT出现电磁干扰现象严重、散热困难等问题。为了实现中压绝缘大功率MFT的损耗最小化设计，同时兼顾电磁干扰问题。合肥工业大学电气与自动化工程学院的科研人员王佳宁、邹强、胡嘉汶、裴伟、赵玉顺，在2022年第12期《电工技术学报》上撰文，提出了一种全面考虑铁心尺寸、绕组线径和绕组排布结构的MFT优化设计方法。

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由于光伏发电逐渐形成大规模集中开发和中高压接入电网的局面，对电气设备的体积和质量也有一定的限制，使得中压大功率电力电子变压器受到了广泛关注。相比于传统低频变压器，大功率电力电子变压器中工作频率大多在1～50kHz的中频范围，因此具有更小的体积和质量。受目前开关器件耐压水平的限制，电力电子变压器的隔离和升压一般通过多个模块化大功率DC-DC变换器级联实现，在低压侧并联，高压侧串联。

中频变压器（Medium Frequency Transformer MFT）作为DC-DC变换器的核心器件之一，由于自身结构的紧凑性，以及中频和中压的结合，使其设计具有较大的挑战性。

首先，频率的升高虽然可以实现更高的功率密度，但也会导致MFT的绕组损耗和铁心损耗增大，从而增大了散热难度且限制了效率的提高。

其次，中压带来的绝缘需求也会产生两个问题：①高压侧绕组和低压侧绕组之间需要保持较大的绝缘间距，这使得MFT会产生更多的高频漏磁，从而对DC-DC变换器中的其他电路产生电磁干扰，影响稳定性；②MFT内部浇注隔热的绝缘材料，这导致变压器的散热难度进一步增大。所以在设计MFT时，不仅需要满足功率密度的需求，而且也需要最小化损耗来尽可能地降低温升，同时也要兼顾MFT电磁干扰的影响。

一般选择低损耗密度的铁心材料（如铁氧体、纳米晶）可以降低铁心损耗。通过降低绕组交流电阻和直流电阻的比值（称为交流电阻因子），可以降低绕组的交流损耗。交流电阻因子主要受趋肤效应和邻近效应的影响。绕组选择利兹线或者铜箔可以有效地降低趋肤效应的影响；改变绕组排布（绕组层数）和铁心尺寸可以降低绕组周围的磁场强度，从而降低邻近效应的影响。故为了最小化MFT损耗，需要考虑铁心材料、铁心尺寸、绕组材料、绕组尺寸和绕组排布等关键参数。

由于铁心磁导率不是无穷大，故实际MFT会存在漏磁通。一方面，漏磁通形成的漏感可被LLC谐振变换器、隔离型DC-DC变换器等用作能量传递元件。LLC谐振变换器因具有全负载范围内实现软开关的特性而被广泛使用。LLC谐振变换器使用漏感作为谐振电感时，漏感越小使得LLC谐振变换器的谐振电容电压应力越小；另一方面，因为模块化DC-DC变换器的功率密度较高，MFT的高频漏磁通产生的电磁干扰可能会在周围电路上产生感应电压和电流，同时产生额外损耗，从而降低电路稳定性和变换器的效率。因此，在设计MFT时应尽量减少漏磁通或对其进行屏蔽。

MFT的优化设计方法已有较多研究。面积乘积（Area Product AP）法作为常用的MFT设计方法，能够快速地通过解析公式对MFT进行设计。但因为AP法对铁心的设计多是根据其计算得到的面积乘积的值选择合适的商用铁心，这使得MFT的损耗并不一定能达到最小。

为了实现中压绝缘大功率MFT的损耗最小化设计，同时兼顾电磁干扰问题。合肥工业大学电气与自动化工程学院的科研人员王佳宁、邹强、胡嘉汶、裴伟、赵玉顺，在2022年第12期《电工技术学报》上撰文，提出了一种全面考虑铁心尺寸、绕组线径和绕组排布结构的MFT优化设计方法。

图1 MFT的优化设计方法流程

该方法使用AP法设计铁心体积，建立铁心和绕组损耗模型并通过自由参数扫描使MFT损耗达到最小。研究人员对所述的MFT损耗最小化方法进一步分析，证明其也会带来漏感的降低以及电磁干扰区域的缩小。

图2 优化设计的MFT样机

研究人员指出，通过有限元仿真软件，证明了改MFT设计方法可以减小损耗的同时减小漏感与电磁干扰的影响。同时研究了变压器周围电磁干扰的强弱情况，为外围电路的放置位置提供参考。

他们最后通过铁心和绕组的定制化，制作了一台应用于LLC谐振变换器的35kV绝缘、200kW、30kHz的MFT样机。通过理论和实际的效率对比，验证了该方法的有效性和准确性。LLC谐振变换器的最高实测效率可达99.18%。同时变压器也未出现散热问题，在没有考虑加入绝缘材料的条件下，变压器的实测温升远低于设计要求，为后面继续研究加入绝缘材料的MFT裕留足够的温升空间。

本文编自2022年第12期《电工技术学报》，论文标题为“一种中压绝缘大功率中频变压器的优化设计方法”。本课题得到了国家自然科学基金面上项目、合肥综合性国家科学中心能源研究院项目和高等学校学科创新引智计划项目的支持。