CN115691946A

CN115691946A - 一种高频变压器及其漏感提升方法

Info

Publication number: CN115691946A
Application number: CN202211701545.6A
Authority: CN
Inventors: 曾嵘; 赵彪; 崔彬; 胡家亮; 屈鲁; 余占清
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明提供一种高频变压器及其漏感提升方法，包括一种高频变压器，其中，包括原边绕组、副边绕组、附加铁芯，所述附加铁芯设于原边绕组和副边绕组之间，其中，所述附加铁芯，用于提升变压器的漏感值，其中，所述附加铁芯与原边绕组耦合，与副边绕组不耦合；本发明提高DAB系统的传输效率。

Description

一种高频变压器及其漏感提升方法

技术领域

本发明属于变压器技术领域，特别涉及一种高频变压器及其漏感提升方法。

背景技术

在双向主动全桥变换器（dual active bridge,DAB）的全桥H₁和H₂的中间布置有高频变压器T和辅助电感L₁，如图1所示，示出了DAB的拓扑图。原边全桥H1和副边全桥H2的输出电压为占空比为50%的方波电压。通过调节两个电压的相位差大小（也就是移相角）可以实现DAB的功率大小和方向的调节。变压器T的作用是实现电压变比为n：1的电压变化，电感L₁的作用是瞬时功率的缓冲。

附加电感L₁是实现控制功率的传输的必要部件，然而附加电感L₁会带来额外的损耗，降低系统的传输效率，并且附加电感L₁占据较大体积，导致DAB系统所占的空间体积较大，功率密度降低。

因此，需要设计一种高频变压器，以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高频变压器及其漏感提升方法，包括一种高频变压器，其中，包括原边绕组、副边绕组、附加铁芯，所述附加铁芯设于原边绕组和副边绕组之间，其中，

所述附加铁芯，用于提升变压器的漏感值，其中，

所述附加铁芯与原边绕组耦合，与副边绕组不耦合。

进一步地，所述变压器还包括主铁芯，所述副边绕组绕制在主铁芯的外周围。

进一步地，所述附加铁芯设于主铁芯的一侧，且所述原边绕组绕制在附加铁芯和副边绕组的外周围。

进一步地，其中，

所述附加铁芯上设有多个同等间隔距离的气隙。

进一步地，

提升后的变压器的漏感值通过以下公式确定：

其中，L为提升后的变压器的漏感值，N为原边绕组的线圈匝数，

为附加铁芯的磁路长度，

为附加铁芯的磁导率，

为气隙的磁路长度，

为气隙的磁导率，S为附加铁芯的有效截面积，H为磁场强度，B为磁感应强度，

为磁链，I为原边绕组上通过的电流，

为磁通。

进一步地，附加铁芯的磁导率

大于气隙的磁导率；

提升后的变压器的漏感值L的大小与气隙长度成反比、与附加铁芯截面积S成正比以及与原边绕组的线圈匝N的平方成正比。

进一步地，所述原边绕组的线圈匝数多于副边绕组的线圈匝数。

进一步地，

所述附加铁芯的上设有第一窗口，所述第一窗口的长度与主铁芯上的第二窗口长度相等，所述第一窗口的宽度与所述第二窗口的宽度相等。

另一方面，本发明还提供一种高频变压器的漏感提升方法，其中，所述方法包括：

在变压器的原边绕组与副边绕组之间设置附加铁芯；

设置附加铁芯与原边绕组耦合，与副边绕组不耦合。

本发明的一种高频变压器及其提升漏感的方法，解决DAB功率传输时的损耗偏大、占据空间过大问题，还能将DAB所需的附加电感集成为变压器的漏感，大幅度提升系统的功率密度，提高DAB系统的传输效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术中DAB的拓扑图。

图2示出了根据本发明实施例的一种高频变压器拓扑图。

图3示出了根据本发明实施例的一种高频变压器的结构示意图。

图4示出了根据本发明实施例附加铁芯4的结构示意图。

图5示出了根据本发明实施例一种高频变压器的漏感提升方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，在发明中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。

以下对本发明进行详细地说明：

在大功率传输的DAB系统中，为了有效控制大功率，如兆瓦级功率的传输，需要的附加电感的电感数值往往会达到几mH，远远大于一般变压器的漏感值，为此需要采用合理的方式来集成变压器的漏感。

目前的主流的对高频变压器的漏感集成方法为：

（1）原边及副边绕组分开绕制，通过减小绕组之间的耦合度来增大漏感；

但这种方式首先会导致变压器的漏磁分布混乱，产生额外的难以估量的漏磁损耗，另一方面对于大容量高频变压器而言，绝缘水平要求高，原边及副边绕组分开绕制会导致变压器的体积增大，功率密度减小。

（2）增大同心绕组的原边及副边绕组之间的距离，来增大漏感值；这种方法能够增大漏感，但增大的漏感往往仍在μH级别，与需求的mH级别的电感数值上存在较大差距。

（3）通过调整磁芯柱上方的气隙距离，使其中一部分磁通经过气隙，而不与副边进行耦合。从而有效地控制漏感值。这种方法虽然能够略微增大变压器的漏感，但气隙的增大会导致变压器产生额外的气隙扩散磁通损耗、减小变压器的励磁电感，同时增大的漏感也较小。

综上，现有的变压器的漏感往往在μH级别,远远小于附加电感的感值需求，无法满足大漏感集成的需求，无法达到对系统功率密度的有效提高。

为此，本发明提供的一种高频变压器，是基于大漏感集成的大容量高频变压器，且本发明的变压器是原有的高频变压器及附加电感的合并和集成，使原有的附加电感和变压器两个部件，变成一个大漏感集成变压器。如图2所示，图2示出了本发明的变压器拓扑图，图2中，将附加电感集成到了变压器中，使得系统的功率密度得到了提升。

下面对本发明的一种高频变压器的具体结构进行详细地说明：

本发明提供一种高频变压器，如图3所示的，给出了本发明的变压器拓扑，变压器包括原边绕组3、副边绕组2以及附加铁芯4，所述附加铁芯4设于原边绕组3和副边绕组2之间，其中，

所述附加铁芯4，用于提升变压器的漏感值，其中，

所述附加铁芯4与原边绕组3耦合，与副边绕组2不耦合。

在本发明中，线圈匝数较多的绕组，通常是原边绕组3，通过加压通流到原边绕组3，进而传输能量；线圈匝数较少的绕组，一般是副边绕组2，用于将原边传输来的能量，传输到副边。

下面进行详细地说明。

在本发明的一个实施例中，所述附加铁芯4的上设有第一窗口9，所述第一窗口9的长度与主铁芯1上的第二窗口长度相等，所述第一窗口9的宽度与所述第二窗口的宽度相等。

在本发明的一个实施例中，所述变压器包括的主铁芯1（主铁芯是由多个铁芯并联而成，本实施例图3中，主铁芯1是由三个铁芯并联而成）是变压器的核心部件，承担电磁转换的功能。所述副边绕组2绕制在主铁芯1的外周围，其中，在本实施例中，示例性的，主铁芯1的单个铁芯由两个磁柱和两个磁轭组成，即主铁芯1的单个铁芯由两个左右的第一磁柱5及两个上下的第一磁轭6组成，具体的：

其中两个第一磁柱5相互平行，另外两个第一磁轭6相互平行。副边绕组2有两对，两对副边绕组2分别绕制在主铁芯1一侧的第一磁柱5周围和另一侧的第一磁柱5周围。

在本发明的一个实施例中，所述附加铁芯4设于主铁芯1的一侧，其中，在本实施例中，示例性的，附加铁芯4也由两个磁柱和两个磁轭组成，即附加铁芯4由两个第二磁柱7及两个第二磁轭8组成，其中两个第二磁柱7相互平行，另外两个第二磁轭8相互平行。

在本实施例中，参考图3，附加铁芯4的磁柱及磁轭与主铁芯1的磁柱及磁轭一一对齐。

在本发明的一个实施例中，对于所述原边绕组3绕制在附加铁芯4和副边绕组2的外周围，具体的：

附加铁芯4的原边绕组3绕有两对，两对原边绕组3绕中，其中一个原边组绕制在其中一个第一磁柱5和其中一个第三磁柱7的外周围，从而形成其中一个副边绕组2位于其中一个原边绕组3的内部；另一个原边组绕制在其另一个第二磁柱6和另一第四磁柱8的外周围，从而形成另一副边绕组2位于另一原边绕组3的内部。

在本发明的一个实施例中，附加铁芯4自身能够形成完整磁回路，由于附加铁芯4仅与原边绕组3耦合，与副边绕组2不耦合，因此附加铁芯4产生的电感也仅与原边绕组3的线圈匝数N有关。

在本发明的一个实施例中，原边绕组3绕制在附加铁芯4上，通过的交变电流在附加铁芯4上激生出磁场，此时集成的漏感（附加铁芯4所产生的电感）的值可以通过公式（1）计算，即提升后的变压器的漏感值通过以下公式（1）确定：

（1）

其中，L为附加铁芯上产生的电感值，N为原边绕组3的线圈匝数，

为附加铁芯4 的磁路长度，

为附加铁芯4的磁导率，

为气隙的磁路长度，

为气隙的磁导率，S为附加铁芯4的有效截面积，H为磁场强度，B为磁感应强度，

为磁链，I为原边绕组3上通过的电流，

为磁通。

此处相当于将附加铁芯4的励磁电感作为变压器漏感的一部分，由于附加铁芯4整体的磁导率极大，若不在附加铁芯4中设置气隙，则会导致L极大，同时附加铁芯4上的磁导率变化较大，难以完成对准确电感数值的设计控制，因此，在本发明的一个实施例中，如图4所示的，示出了附加铁芯4的结构图，图4中，所述附加铁芯4上设有多个同等间隔距离的气隙，即两个第一磁柱5上均分布多个同等间隔距离的气隙。

在本发明的一个实施例中，由于附加铁芯4的磁导率

大于（远远大于）气隙的磁导率，因此，提升后的变压器的漏感值L的大小基本上与气隙长度成反比、与附加铁芯4截面积S成正比以及与原边绕组3的线圈匝N的平方成正比，与附加铁芯4本身的磁导率相关度不大。为此通过附加铁芯4集成的电感能够稳定存在，且可以通过调整气隙的磁路长度大小，方便地调节集成的L大小。由于L与原边绕组3的线圈匝N的平方成正比，为了在高功率密度的需求下获得更大的电感，通常外侧与附加铁芯4耦合的绕组为线圈匝数较多的绕组通常为原边绕组3（即所述原边绕组3的线圈匝数多于副边绕组2的线圈匝数）。同时由于原边绕组3通常是高压绕组，一般也设置在外侧，为此将其与附加铁芯4耦合也更便于绕制。

在本发明的一个实施例中，为验证本发明的有效性和可靠性，下面针对一款兆瓦级大容量高频变压器进行了漏感集成。示例性的，该变压器的端口电压为方波电压，原边电压幅值为10000-12000V，同时变压器流过梯形波电流，电流有效值为380-420A。变压器变比为20：3，原、副边之间的耐压为35KVdc,原边对地耐压为35KVdc,副边对地耐压6KVdc,集成的漏感值达到4.3mH。

从需求出发，根据集成的漏感的需求来设计集成方式。本实施例中，变压器的总副边漏感（即附加铁芯4产生的电感与主铁芯1上产生的漏感的和）需求为117μH，变压器主体设计主铁芯1上产生的副边漏感为19μH，为此附加铁芯4带来的副边电感为98μH，对应的原边电感为4.3mH。由于变压器集成的漏感数值远远大于一般变压器的漏感值，为此采用增加附加铁芯4的漏感集成方法，此附加铁芯4仅与一边的绕组进行耦合，与另一边的不耦合。

根据变压器的耐压需求，设置变压器铁芯为UU型，内侧绕组为变压器副边绕组2，外侧绕组为变压器原边绕组3。为此选择匝数较多的原边绕组3与附加铁芯4进行耦合，同时原边绕组3在外侧，绕制起来更加方便。

根据附加铁芯4材料性质以及漏感需求，得到本实施例中漏感集成大容量的高频变压器的相关技术参数：

（1）附加铁芯4磁导率：磁密为0.8T时，磁导率为

；

（2）空气间隙（气隙）磁导率：

；

（3）附加铁芯4截面积：S=180mm*170mm=0.0306m²；

（4）磁路等效长度（即附加铁芯4的磁路长度，为气隙长度与铁芯长度之和）：2600mm；

（5）原边绕组3的线圈匝数为80匝。

为此计算得到如式（2）的结果：

（2）

其中，

表示气隙的长度、

为附加铁芯4中磁性材料磁路的长度。

由于附加铁芯4的气隙长度为56.38mm，设计气隙长度的同时需要考虑附加电感（附加铁芯4）的稳定性。如果气隙长度设置不合理，当电流较大时，可能会导致附加铁芯4饱和，如果附加铁芯4达到饱和，则附加铁芯4的磁导率大幅度减小，进而导致电感值（漏感值）骤减，传输功率会进一步增大，电流进一步增大，形成恶性循环，最终导致与其耦合的原边绕组3被烧坏。取暂态时的峰值电流为800A，根据安培环路定理，即公式（3），可以得到：

（3）

计算得到电流为800A时，附加铁芯4的磁密B为1.42T，此时对应的磁导率仍旧为

，基本无变化，为此电感值也不会有太大变化，在此气隙长度下附加电感无偏磁危险。

通过上述方法，本实施例能成功设计一种集成4.3mH超大漏感的大容量高频变压器，同时集成的漏感数值稳定，从而具有较强的抗偏磁能力（通过在附加铁芯4的磁路中设置均匀分布的气隙而达到抗偏磁能力），安全性极高，在正常工况下，能够稳定运行。

本发明还提供一种高频变压器的漏感提升方法，如图5所示的，图5是变压器的漏感提升方法的流程图，其中，所述方法包括：

在变压器的原边绕组3与副边绕组2之间设置附加铁芯4；

设置附加铁芯4与原边绕组3耦合，与副边绕组2不耦合。

其中，所述变压器还包括主铁芯1，所述副边绕组2绕制在主铁芯1的外周围。

其中，所述附加铁芯4设于主铁芯1的一侧，且所述原边绕组3绕制在附加铁芯4和副边绕组2的外周围。

本发明的一种高频变压器的漏感提升方法中各步骤的功能以及实现方式与一种高频变压器中的各部分实现的功能以及实现方式对应一致，因此，此处不再赘述。

在本发明中，变压器的主要特点如下：

（1）本发明变压器的主要结构为主铁芯1、原边绕组3、副边绕组2以及变压器附加铁芯4，结构简单。

（2）本发明的大容量高频变压器是采用附加铁芯4的方案，实现了mH级漏感集成的变压器。

（3）以主铁芯1为主体，匝数（线圈匝数）较少绕组通常为副边绕组2，绕制在内侧，匝数较多绕组通常为原边绕组3，绕制在变压器外侧。

（4）附加铁芯4，自身能够形成完整的磁回路，但磁回路中并不全部为磁性材料，也包含合理长度的气隙，气隙的长度与L有关，附加铁芯4由铁磁材料及气隙构成。

附加铁芯4布置在原边及副边绕组2之间，同时仅与外侧匝数较多的绕组相耦合。

（5）对于附加铁芯4的设计，主要依托于对电感量的集成需求。其中包括对附加铁芯4截面积、耦合绕组匝数以及气隙长度的设计等。依托的理论计算公式如公式（1）所示。为了设计方便，通过附加铁芯4的窗口布置与主铁芯1的窗口布置一致，仅需调整附加铁芯4的厚度，即可调整附加铁芯4的截面积。与附加铁芯4耦合的原边绕组3的匝数主要和变压器的整体设计有关。由于附加铁芯4磁导率远远大于气隙的磁导率，因此L大小基本上与气隙长度成反比，与铁芯材料的长度关系不大，为此能够通过需求L计算得到气隙长度

。

（6）为保证集成的漏感具有较强的抗偏磁能力，安全性高，设计气隙长度的同时需要考虑附加铁芯4的稳定性。在设计的过程中通过暂态最大电流能够计算得到附加铁芯4可能达到的最大磁密B_max，使得最大磁密B_max不超过饱和磁密即可。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。