基于高频变压器一维模型漏感产生与减少研究.pdf

基于高频变压器一维模型漏感产生与减少研究 陆 地 李翔 黄宝红 2 王 沛3 1 西安建筑科技大学 机电工程学院 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 2 南京博兰得电子科技西安分公司 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 3 中国科学院国家授时中心授时部 陕西 渭南 7 1 5 5 0 0 摘要 通过反激变换器的拓扑结构图与等效模型得到高频变压器漏感变化对开关管耐压的影响 并以平面卧式变压器 为例建立一维模型 且进行了高频变压器漏感定量计算和研究 阐述了高频变压器漏感的危害 从高频变压器的一维模 型出发 通过建立匝间距离 透入深度 6 线圈窗口在 X轴上的宽度 W等因素的数学表达式 利用关系曲线确定出影 响高频变压器漏感大小主要因素 经过实验与研究分析 提出了增大绕组宽度 增大绕组高宽比 增加绕组之间的耦合 程度新的减少高频变压器漏感的方法 实现了减少高频变压器漏感的目的 并以实验验证了该方法的可行性 关键词 反激变换器 高频变压器 一维模型 漏感 绕组 中图分类号 T M4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 0 8 7X 2 0 1 2 0 8 1 1 5 4 一 O 4 Ge n e r a t i o n a n d r e d u c t i o n O f l e a ka g e i n d uc t a n c e b a s e d O n o n e d i me ns i o na l mo d e l o f h i g h f r e q u e nc y t 1 a ns f 0 r me r L U Di L I Xi a n g HUANG Ba o h o n W ANG Pe i f 1 S c ho o l o fMe c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n gine e r i n g xi ta n Un i v e r s i ty o f Ar c h i t e c t u r e Te c h n o l o g y Xi a n S h a n x i 7 1 0 0 5 5 Ch i n a 2 Xi a n Br a n c h F s p P o we r l a n d T e c h n o l o g y l n c Xi a n Sh a n x i 7 1 0 0 6 5 Ch i n a 3 Na t i o n a l T i me S e r v i c eC e n t e r C h i n e s e Ac a d e myo f S c i e n c e s We i n a n S h a n x i 7 1 5 5 O 0 C h i n a Ab s t r a c t By t h e fl y b a c k c o n v e r t e r t o p o lo g y S c o n s t r u c t ur e a n d t h e e q u iv a l e n t mo d e l t h e e ff e c t o f h i g h f r e q u e n c y t r a n s f or me r l e a k a g e o n t h e p r e s s u r e wa s o b t a i n e d a n d o n e d i me n s i o n a l mo d e l b a s e d o n t h e e x amp le o f h o r iz o n t a l p la n a r t r a n s f o rm e r wa s e s t a b l is h e d 1 1 1 e h i g h f r e q u e n c y t ran s f o r me r s le a k a g e wa s q u a n t i t a t iv e l y c a l c u la t e d a n d r e s e ar c h e d a n d t h e d a n g e r s o f h ig h f r e q u e n c y t r a n s f or me r l e a k a g e i n d u c t a n c e we r e e x p la i n e d B a s e d o n a o n e d i men s i o n a l mo de l o f h i g h f r e q u e n c y t r a n s f o rm e r s t h e ma t h e ma t i c a l e x p r e s s i o n s o f t h e f a c t o r s l i k e dis t a n c e b e t we e n t h e c i r c l e h a p e n e t rat i o n d e p t h 6 c o i I j n t h e win d o w o n t h e X a x i s wi d t h W a n d t h e o t h er we r e bu i l t a n d t h e r e la U o n c u r v e wa s u s e d t o d e t erm i n e t h e ma i n f a c t o rs t h a t i n f l u e n c ed t h e s i z e o f t r a n s f o r me r l e ak a g e Th r o u g h e x pe r i me n t s a n d r e s e a r c h a n a l y s is a n e w me t h o d wa s p r o p o s e d t o i n c r e a s e t h e wi n d i n g wid t h t h e a s p e c t r a t i o o f t h e wi n d i n g a n d t h e c o u p li n g b e t we en wi n d i n g s t o r ed u c e t h e l e v e l o f the h i g h f r e q u e n c y t ran s f o rm e r s l e a k a g e i n d u c t a n c e a n d a c h i e v ed t h e p u r p o s e t o r ed u c e t h e l e a k a g e i n d u c t a n c e o f a h ig h f r e q u e n c y t r a n s f o r me r 1 1 1 e e x p e r i me n t v er if ie s the f e a s i b i l i t y o f t h e me t h o d Ke y wo r d s f l y b a c k c o n v e rt e r h i g h f r eq u e n c y t r a n s f o r mer o n e d i me n s i o n al mo d e l l e a k a g e i nd u c t a n c e wi n d i n g 随着电力电子技术的快速发展 提高开关频率成为了减 少电源体积 实现电源系统的小型化的主要途径 对于开关频 率的提高 高频变压器的漏感对开关器件性能指标造的影响 将尤为突出 但在通过变压器的模型分析高频变压器的漏感 产生原因的研究方面 成果相对较少 论文以高频变压器的一 维模型出发 分析了变压器漏感产生的原因 从实用角度出 发 验证 了工程中减少漏感措施的可行性 而这些具体措施的 实施正是工程中迫切需要解决的问题 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 0 8 基金 项 目 西 安建筑科技 大学学科 重点培 育计划 人才培 养专 项 X K 2 01 1 0 4 青海省 城镇 建筑节 能科研 项 目 2 0 1 1 0 2 8 高大空间建筑 工程 科研项 目 2 0 1 1 1 3 4 作 者简介 陆地 1 9 6 1 男 河北省人 博士 副教授 主 要研 究 方 向为电力电子 技术应用 电气工程及其 自动化 计算机控制技术等 2 01 2 8 Vo1 36 N0 8 1高频变压器一维模型的建立 由于平面卧式变压器漏感相对比较大 论文以平面卧式 变压器为例进行分析与研究 对其进行一维模型的建立 1 并 对变压器漏感进行定量的计算12 平面卧式变压器的物理模型如图 1 所示 其绕组导体可等 效为铜箔 且纵贯整个线圈窗口 即不存在端部效应 导体可以 看成无限长导电平板 其上下表面上的磁场强度值分别相等 方向与导体表面平行 根据安培定律可知 不论导电层内的磁 场分布如何随频率变化 在导体表面上的磁场强度必然保持恒 定并与直流下的值相等 图 1 所示模型中 磁场强度只有 x分 量 其第 n 匝导体沿 x向分布的磁场强度 可以表示为 一 p 1 1 1 1 5 4 图 1 平面卧式变压器的物理模型 式中 D 表示第 P层的总电流 w为线圈窗口在 X轴上 的宽 度 式 1 可以转换成微分形式 在直角坐标系中 H x Y z 的每一个分量都满足其微分关系式 所以有 V H j w掣 H 2 为了方便起见 特定义一个复系数 卢 3 再 令 j W 为了防止除数为零 特引入一个新的变量 m 其定义为 H A y 笠p l 二 1 s in J f1 s in 一 删 4 s in m s in 一 4 变压器第 n匝线圈的磁场能量为 C v a x d y 4 w 1 卢 一4 g2 厶 其中 4 s i n h 2 A s i n 2 A 篙 是 透 人 深 度 匝问气隙间的磁能 wr唧为 wf f h o H d x d y 6 f 0 0 式中 为匝间距离 得 到总磁 场能量 为 7 线 圈的漏感 2 1 为 簪 8 给出不同的参数变化 可以得到如图 2所示曲线 从图 2可以看出 当变压器的高度 矗不变 线圈窗13在 x 轴上的宽度 w增大时 变压器的漏感随着宽度 w的增大而减 少 其对减少漏感有明显的作用 当线圈窗H在 x轴上的宽度 棚 镣 嫘 3 o x I O 2 7 x 1 o 2 4 x 1 o 2 1 l O 1 8 x l 1 S 1 0 I 2x I O O 9x l O o 6x l 0 o 3x 1 o 0 O 卜一 卅L 1 l 卜 1 L I r 1 I 1 r O 0 O 1 0 2 0 3 O 4 O 5 O O 7 O 8 O I O 线 圈窗 口在x轴上的 宽度 圈 2 不同参数设置对漏 感大小 的影响 w不变 变压器的高度 J l 减少时 变压器的额漏感随着变压器 的高度 h的减少而减小 其对减少漏感也有明显的作用 2 反激变换器 的工作原理 在小功率电源的设计中 反激变压器的设计是极为关键 的 尤其是当工作频率提高后 需要对该变压器进行优化设 计 而使功率损耗最小 提高整个电源的效率 3 1 反激变换器的拓扑结构如图3所示 变压器 T具有隔离电 压 变换电压和传递能量的作用 所以该变压器又称为电感储 能式变压器 其主要工作原理如下 开关管 S导通时 原边绕组 N p储存能量 因副边相位上负下正 使二极管反向偏置截止 负载 R I 的电流由输出电容 C 0 提供 开关管 s关断时 原边绕 组 N p两端电压极性反向 此时副边相位上正下负 使二极管 正向偏置而导通 原边绕组 N p 所储存的能量传递给负载 和 输出电容 C 以补偿电容 C 0 单独提供负载 R L 的电流时所消耗 的能量 反激变换器的主要优点是不需要输出滤波电感闭 F l 图 3 反激变换器拓扑结构 图 j F 3 变压器漏感对开关管耐压影响 由于变压器针对不同的拓扑结构相对来说有一些差别 因而 从简化问题的角度 以反激变换器为例加以叙述 反激 变换器的等效模型如图 4所示 2 4 1 假设反激变换器工作于 D C M D i s c o n t i n u o u s c o n d