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由于光伏發(fā)電逐漸形成大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)和中高壓接入電網(wǎng)的局面，對(duì)電氣設(shè)備的體積和質(zhì)量也有一定的限制，使得中壓大功率電力電子變壓器受到了廣泛關(guān)注。相比于傳統(tǒng)低頻變壓器，大功率電力電子變壓器中工作頻率大多在1～50kHz的中頻范圍，因此具有更小的體積和質(zhì)量。受目前開(kāi)關(guān)器件耐壓水平的限制，電力電子變壓器的隔離和升壓一般通過(guò)多個(gè)模塊化大功率DC-DC變換器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，在低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)串聯(lián)。

中頻變壓器（Medium Frequency Transformer, MFT）作為DC-DC變換器的核心器件之一，由于自身結(jié)構(gòu)的緊湊性，以及中頻和中壓的結(jié)合，使其設(shè)計(jì)具有較大的挑戰(zhàn)性。

首先，頻率的升高雖然可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，但也會(huì)導(dǎo)致MFT的繞組損耗和鐵心損耗增大，從而增大了散熱難度且限制了效率的提高。

其次，中壓帶來(lái)的絕緣需求也會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：①高壓側(cè)繞組和低壓側(cè)繞組之間需要保持較大的絕緣間距，這使得MFT會(huì)產(chǎn)生更多的高頻漏磁，從而對(duì)DC-DC變換器中的其他電路產(chǎn)生電磁干擾，影響穩(wěn)定性；②MFT內(nèi)部澆注隔熱的絕緣材料，這導(dǎo)致變壓器的散熱難度進(jìn)一步增大。所以在設(shè)計(jì)MFT時(shí)，不僅需要滿足功率密度的需求，而且也需要最小化損耗來(lái)盡可能地降低溫升，同時(shí)也要兼顧MFT電磁干擾的影響。

一般選擇低損耗密度的鐵心材料（如鐵氧體、納米晶）可以降低鐵心損耗。通過(guò)降低繞組交流電阻和直流電阻的比值（稱為交流電阻因子），可以降低繞組的交流損耗。交流電阻因子主要受趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響。繞組選擇利茲線或者銅箔可以有效地降低趨膚效應(yīng)的影響；改變繞組排布（繞組層數(shù)）和鐵心尺寸可以降低繞組周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低鄰近效應(yīng)的影響。故為了最小化MFT損耗，需要考慮鐵心材料、鐵心尺寸、繞組材料、繞組尺寸和繞組排布等關(guān)鍵參數(shù)。

由于鐵心磁導(dǎo)率不是無(wú)窮大，故實(shí)際MFT會(huì)存在漏磁通。一方面，漏磁通形成的漏感可被LLC諧振變換器、隔離型DC-DC變換器等用作能量傳遞元件。LLC諧振變換器因具有全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的特性而被廣泛使用。LLC諧振變換器使用漏感作為諧振電感時(shí)，漏感越小使得LLC諧振變換器的諧振電容電壓應(yīng)力越小；另一方面，因?yàn)槟K化DC-DC變換器的功率密度較高，MFT的高頻漏磁通產(chǎn)生的電磁干擾可能會(huì)在周圍電路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，同時(shí)產(chǎn)生額外損耗，從而降低電路穩(wěn)定性和變換器的效率。因此，在設(shè)計(jì)MFT時(shí)應(yīng)盡量減少漏磁通或?qū)ζ溥M(jìn)行屏蔽。

MFT的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已有較多研究。面積乘積（Area Product, AP）法作為常用的MFT設(shè)計(jì)方法，能夠快速地通過(guò)解析公式對(duì)MFT進(jìn)行設(shè)計(jì)。但因?yàn)锳P法對(duì)鐵心的設(shè)計(jì)多是根據(jù)其計(jì)算得到的面積乘積的值選擇合適的商用鐵心，這使得MFT的損耗并不一定能達(dá)到最小。

為了實(shí)現(xiàn)中壓絕緣大功率MFT的損耗最小化設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧電磁干擾問(wèn)題。合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院的科研人員王佳寧、鄒強(qiáng)、胡嘉汶、裴偉、趙玉順，在2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出了一種全面考慮鐵心尺寸、繞組線徑和繞組排布結(jié)構(gòu)的MFT優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

圖1 MFT的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法流程

該方法使用AP法設(shè)計(jì)鐵心體積，建立鐵心和繞組損耗模型并通過(guò)自由參數(shù)掃描使MFT損耗達(dá)到最小。研究人員對(duì)所述的MFT損耗最小化方法進(jìn)一步分析，證明其也會(huì)帶來(lái)漏感的降低以及電磁干擾區(qū)域的縮小。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的MFT樣機(jī)

研究人員指出，通過(guò)有限元仿真軟件，證明了改MFT設(shè)計(jì)方法可以減小損耗的同時(shí)減小漏感與電磁干擾的影響。同時(shí)研究了變壓器周圍電磁干擾的強(qiáng)弱情況，為外圍電路的放置位置提供參考。

他們最后通過(guò)鐵心和繞組的定制化，制作了一臺(tái)應(yīng)用于LLC諧振變換器的35kV絕緣、200kW、30kHz的MFT樣機(jī)。通過(guò)理論和實(shí)際的效率對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性和準(zhǔn)確性。LLC諧振變換器的最高實(shí)測(cè)效率可達(dá)99.18%。同時(shí)變壓器也未出現(xiàn)散熱問(wèn)題，在沒(méi)有考慮加入絕緣材料的條件下，變壓器的實(shí)測(cè)溫升遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求，為后面繼續(xù)研究加入絕緣材料的MFT裕留足夠的溫升空間。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“一種中壓絕緣大功率中頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院項(xiàng)目和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目的支持。