大容量高频变压器磁芯损耗特性分析及结构选择-赵波

磁性材料及器件2016年1月39工艺·技术·应用大容量高频变压器磁芯损耗特性分析及结构选择赵波1，张宁2，李琳2，刘海军1(1.国网智能电网研究院,北京102209；2.华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206)摘要：磁芯的选择对大容量高频变压器性能具有决定性影响。首先详细介绍了典型磁芯材料的高频损耗特性，包括性能特点比较、正弦激励下磁芯损耗计算方法、高频下典型磁芯材料的损耗对比以及应用效果比较。其次，详细介绍了典型磁芯结构的选择，包括单相磁芯结构的选择，比较了环型、CC型和EE型等典型单相磁芯结构的特点和应用场合。同时，介绍了三相磁芯结构的选择，利用CC型磁芯结构的组合构成三相使用的磁芯结构。对大容量高频变压器的磁芯选择进行系统的理论分析，可以为大容量高频变压器磁芯选型提供支持。关键词：高频变压器；磁芯材料；功率损耗；结构选择中图分类号：TM271+.2；TM433文献标识码：A文章编号：1001-3830(2016)01-0039-05Losscharacteristicsanalysisandstructureselectionofmagneticcoreofhigh-powerhigh-frequencytransformersZHAOBo1,ZHANGNing2,LILin2,LIUHai-jun11.StateGridSmartGridResearchInstitute,Beijing102209,China;2.SchoolofElectrical&ElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,ChinaAbstract:Thechoiceofmagneticcorehasadecisiveinfluenceontheperformanceofhigh-powerhigh-frequencytransformer.Firstly,inthisarticlehighfrequencylosscharacteristicsoftypicalcorematerialwasintroduced,includingtheirtypicalcharacteristicscomparison,losscalculationmethodundersineexcitation,constrastofcorelossunderhighfrequencysineexcitationandcomparisonofapplicationeffect.Secondly,thechoiceoftypicalcorestructurewasdiscussd,includingchoiceofcorestructureofsinglephase,andthecharacteristicsandapplicationoccasionsofcorestructuretypesofannular,CCandEEcompared.ThechoiceofcorestructureofthreephaseandusingthecombinationofCCtypecorestructuretoconstitutecorestructureofthreephasewereintroduced.Thesystematictheoreticalanalysisoncoreselectionforhigh-powerhighfrequencytransformerprovidestechnicalsupportforcoreselectionoflargecapacityandhighfrequencytransformers.Keywords:highfrequencytransformer;magneticcorematerial;powerloss;structureselection1引言随着电力电子技术的快速发展，国内外学者探索研究实现电能变换的新型智能变压器——电力电子变压器，又称为固态变压器，它具有体积小、效率高、可控性好等特点[1-4]。在大功率的电力电子拓扑中，高频变压器本体是昀基础、也是昀重要的电磁元件，随着变压器设计容量的不断增大，变收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-09-02基金项目：国家电网公司科学技术项目(SGRI-DL-71-15-005-)通讯作者：张宁E-mail:[e-mail]压器的体积不断变大，提高工作频率，可使变压器体积减小，但是高频下磁芯损耗也会增大，在磁芯材料确定的条件下，磁芯结构的选择也尤为重要，不同的磁芯结构会影响散热面积和绕组结构的形式，进而会影响到变压器的温升。因此，如何选择磁芯材料和磁芯结构，就显得非常重要。目前，随着电力电子器件不断向高频化、小型化发展，工作频率越来越高。高频下，可选择的磁性材料有铁氧体、非晶和纳米晶合金材料。在大容量高频变压器的设计中，对于磁芯材料的选择还没有形成一个统一的准则，更多的是依靠工程师的经40JMagnMaterDevicesVol47No1验来选择[5]。而对于磁芯结构的选择，主要关注窗口面积、散热面积、允许绕组排布的难易度以及漏磁等，但是，在选择磁芯结构类型时，更多也是依靠工程师的经验来选择，因此，有必要深入研究磁芯的选择，以便为后续的大容量高频变压器的磁芯选择提供参考。本文首先详细介绍典型磁芯材料的高频损耗特性，包括性能特点比较、正弦激励下磁芯损耗计算方法、高频下典型磁芯材料的损耗比较以及应用效果比较，其次，介绍了典型磁芯结构类型的选择，比较了环型、CC型和EE型等单相磁芯结构的特点和应用场合，同时，介绍了三相磁芯结构类型的选择，利用CC型磁芯结构的组合构成三相使用的磁芯结构。2典型磁芯材料的高频损耗特性2.1性能特点比较目前，用于高频变压器磁芯的典型材料有硅钢片、铁氧体、非晶和纳米晶合金，而对于这四种典型磁芯材料，需要比较它们的性能特点，比如饱和磁通密度、电阻率、磁致伸缩系数、居里温度和叠片厚度等，因为这些特性在很大程度上决定了高频变压器的性能。在性能参数中，饱和磁通密度越高，磁芯工作磁通密度处在线性区域的范围也就越大。电阻率越高，磁芯的涡流损耗就会越小。磁致伸缩系数越小，磁芯工作时发生的振动和噪声也会越小。而居里温度越高，变压器的工作温度越高。叠片厚度越大，随着工作频率的提高，叠片的趋肤效应更容易发生，进而会增大磁芯损耗。所以，有必要对比磁芯材料在各方面的综合性能。磁芯材料性能特性如表1所示。表1典型磁芯材料特性对比性能指标硅钢片铁氧体非晶纳米晶饱和磁通密度/T1.50.351.21.3矫顽力/A·m－130641.6相对导磁率(20kHz)7000~1000020002000030000磁致伸缩系数/10－614272电阻率/μΩ·cm110613080铁芯叠片系数0.9—0.80.7叠片厚度/mm0.3—0.030.025居里温度/℃746200415570从表1中看出，硅钢片的饱和磁通密度昀大而磁致伸缩系数昀小，但其昀大的不足之处就是电阻率昀小和叠片厚度昀大，在高频下，趋肤效应会很明显，涡流损耗会很大。铁氧体电阻率是昀高的，磁致伸缩系数也很小，但其昀大的不足之处是饱和磁通密度昀低，所以，对于铁氧体，可选择的工作磁通密度范围就很小，一般取0.15～0.25T左右，相同频率时，变压器体积会很大。非晶合金各方面特性都不错，但昀大的不足之处就是磁致伸缩系数是昀大的，所以，非晶合金用于高频变压器磁芯时，振动和噪声会很大。而对于纳米晶合金，各方面特性都很好，昀大的不足之处就是生产成本比较高。所以，在实际选择高频变压器磁芯时，要综合考量磁芯材料各面的综合性能，权衡利弊，折中选择。2.2正弦激励下磁芯损耗计算方法正弦激励下磁芯损耗的计算方法主要有两种，即损耗分离法和Steinmetz经验公式法。铁耗分离法是Bertotti提出的，根据磁芯损耗产生的不同物理机理，将磁芯损耗分解成磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。但Bertotti损耗分离法忽略了磁芯的趋肤效应，得到正弦激励下的损耗[6-7]：22chmcem1.51.5exm/W(/T)(/Hz)(/T)(/Hz)(/T)(/Hz)(1)PCBfCBfCBfα=++其中，Ch、Cce和Cex分别为磁滞损耗系数、涡流损耗系数和剩余损耗系数，α为磁通密度指数。一般只要对正弦激励下实验测量得到的磁芯损耗数据进行拟合，就可以得到上面的磁滞损耗系数、涡流损耗系数、剩余损耗系数和磁通密度指数值，进而得到损耗分离法的解析计算式。但其涉及的参数较多，提取复杂，且对于不同磁芯尺寸，其参数需要重新拟合，因此，损耗分离法计算式应用复杂，不利于工程计算。Steinmetz经验公式法是将三部分损耗用一个经验公式来计算[8-9]：3cmmc/W(/Hz)(/T)(/cm)PKfBVαβ=(2)其中，Pc为磁芯损耗，Km、α和β为常数。Steinmetz经验公式法忽略了磁芯形状以及尺寸的影响，认为磁芯损耗仅取决于磁芯材料、工作频率以及磁通密度峰值。磁芯损耗经验公式中的常数一般由厂家提供或者实验室测量得到，Steinmetz经验公式法简化了磁芯损耗的计算，适合工程应用。为了比较磁芯损耗的两种计算方法计算的准确性，下面对环型纳米晶磁芯进行损耗实验，磁芯尺寸为外径50mm，内径32mm，高度20mm。利磁性材料及器件2016年1月4100.20.40.60.8110-410-310-210-1100101102硅钢片非晶纳米晶铁氧体01020304050607010-310-210-1100101硅钢片铁氧体非晶纳米晶表2正弦激励下纳米晶磁芯损耗WBm3kHz4kHz5kHz6kHz7kHz10kHz0.2T0.0240.0310.0430.0560.0680.1160.3T0.0590.0870.1170.1450.1760.2960.4T0.1220.1730.2320.2940.3590.5960.5T0.2120.3050.4060.5090.6221.0280.6T0.3410.4890.6470.8190.9871.664用TD8120软磁交流系统测量仪，测量纳米晶磁芯在正弦激励下的磁芯损耗，测量数据如表2所示。对表2中的磁芯损耗数据进行拟合处理，得到了磁芯损耗两种计算方法对应的计算如下：42.47cm822111.51.5mm/W3.710(/T)/Hz1.510(/T)(/Hz)10(/T)(/Hz)(3)PBfBfBf−−−=×+×+（）62.4721.3063cmc/W1.44510(/T)/Hz(/cm)PBfV−=××（）(4)其中，Vc=23.04cm3。在磁通密度0.4T、不同频率条件下，将(3)和(4)式的磁芯损耗计算结果和实验测量结果绘成如图1所示的磁芯损耗对比曲线。135791100.10.20.30.40.50.60.7f/kHzPc/W铁耗分离法计算值Steinmetz经验公式法计算值实验测量值图1磁通密度0.4T时，磁芯损耗计算值与实验测量值对比从图1中看出，两种计算方法的计算值与实验测量值很吻合，验证了磁芯损耗两种计算方法的有效性和准确性。其中，损耗分离法涉及的参数较多，提取复杂，且对于不同磁芯尺寸，其参数需要重新拟合，因此，下面在进行高频下磁芯损耗对比时，使用计算更加简单方便的Steinmetz经验公式法。2.3高频下典型磁芯材料的损耗对比在正弦激励下，利用TD8120软磁交流系统测量仪分别对四种典型的磁芯材料进行损耗实验测量，得到对应不同磁通密度和频率的磁芯损耗数据，对磁芯损耗数据进行数值拟合处理，得到单位体积的Steinmetz经验公式，如表3所示。表3典型磁芯材料的损耗经验公式磁芯材料损耗经验公式硅钢片Pc/(W/cm3)=0.1593(Bm/T)1.827(f/kHz)1.496铁氧体Pc/(W/cm3)=0.1124(Bm/T)2.464(