中国振华（集团）新云电子元器件有限责任公司（国营第四三二六厂） 王廷东 李国强
1.1 高频变压器发展现状
1831 年，法拉第发现了一种电磁感应，这是一种法拉第感应线圈。目前的变压器理论上来说，这是一种只能进行简易观测的单芯法拉第线圈。英国科学家格罗夫在30多年的时间里，研制出了世界上首个用来制造交流变压器的装置。1880年，交流电力逐渐融入了日常的生活，变压器设备也逐渐为人所熟悉，并由此构思了将其应用于交流电力。1885年，匈牙利冈茨工厂问世了首个实际应用的变压器。并且随着电力系统中的变压器迅速发展，广泛应用于电力输送、电压转换等领域。
1.2 分布参数等效电路模型研究现状
目前有关频率变压器分配参数的研究主要来自悉尼学院、华北电力学院等知名院校和科研机构。现有的频率变压器分配参数测定法主要包括二端口网络法、有限元法、等效电路法等。但是由于部分常用方法相似，造成试验数据不准确，需要使用大量的试验设备进行验证，且验证程序烦琐，难以应用到实际工程中。例如，二端网路的测试技术使用了大量的试验设备和试验运算，使得过程比较烦琐，不适用于实际工程中；
有限单元法在抽取高频电力变压器的分布时，模拟中存在大量的相近问题，导致试验数据不够准确，但如果对于定性的分析并不需要太准确的结论，这种方法具有很大的优势；
等效电路的测试方法将高频变压器看作RLC 等效电路，从而忽视了其他因素的作用，造成了巨大偏差。
2.1 等效电路
三电容等效电路模型如图1所示。
图1 三电容等效电路模型
在电路理论上，为迅速获得变压器工作原理和特性，会对其进行简单的加工处理，而忽视其漏电感值和分布电容。但在现实情况中，变压器的工作频率越高，变压器的线圈就更容易出现明显的高频影响。为了更精确地反映电力系统的工作状态，必须构建适当的等值线路模型。在变压器中，一次线圈所生成的磁通可以完全地经过副边线，但是在实际情况中存在着一定的损耗和漏磁现象。分布电容是一种具有不同电压差异并具有一定的隔离特性的导线的电容分配。变压器绕组中有分布电容，特别是绕组匝间、层间和初级二次绕组间。其大小与线圈的外形、几何、绝缘材质有关。三容等值电路的建模方法与常规等值电路模型不同，考虑了一次绕组间分布电容，与其他模型比较，三电容量等值电路模式可以基本反映高频变换的工作性能，并且具有更宽广的频段，可以达数十乃至数百上千赫兹。
2.2 磁芯损耗和绕组损耗
目前，高频变压器的功耗主要由磁芯损失和线圈损失两大类组成。磁芯损耗由磁芯内部的交流磁力造成，其中包含磁滞损耗、涡电流损耗和残余损耗。磁芯损失亦称铁损，是一种不随负载电流的强度或特性而变化的不变性损失。线圈损失是由于在电阻器中流动时会发生热量作用，从而耗尽电力。线圈损失也称为铜损，其根据负荷的大小和线圈电阻的不同而变化。
2.3 高频变压器的设计
高频变压器的设计主要有两种方法，一种是采用Pexprt、PI transformer 等软件进行计算机辅助设计，该方法具有很好的应用前景。工作人员只要将相关的资料进行输入，经过多种组合，就可以获得最佳的方案，但该方法容易受到线圈材质的限制；
常用方法是采用面积乘积AP或kg因子法，由于AP法计算过程简单，步骤清晰，故采用AP方法，即铁芯窗面积Aw 与铁芯有效截面Ae 之积，再由AP 值选取磁芯的大小。
变压器流程如图2所示。
图2 变压器流程
由于高频变压器需要长时间工作在高频环境中，因此需要选用合适的铁芯。在选择磁芯时，应综合考虑磁导率、损耗、效率和频率区间最佳工作点。与常规磁性核心材料相比，铁基纳米晶体在较大温度范围内的铁损耗非常小。此外，为了能够选择较低频率，材料需要具有高饱和磁性感生（1.2T)，从而减少功率晶体管装置和电磁干扰过滤的费用。
3.1 高频变压器分布参数的计算
通常高频变压器的漏电感应原理分为两类：第一类是根据漏电现象的泄漏电流的角度推导出漏电感应的计算公式。另一种方法是从漏磁储存的容量（漏磁能）入手，首先计算出电场的强度，然后通过计算得到当量的漏感。特别是由于是同轴圆柱形的变压器线圈，其层间距比线圈高要小得多，因此可以将线圈看作是一个很大的螺旋形线圈。由于集中和相邻作用的影响，使得线圈内的电流量和电场的分布出现不均匀性[1]。
3.2 高频变压器分布参数的测量
高频变压器与常规的工频变压器相比，工作频率为数十到数百千赫兹。当频率越来越大时，对变压器的电压分配参量的变化也不容忽视，其主要作用是漏电感和电容场[2]。因此，了解高频电力系统中的变压器的数学建模和功率分配是非常必要的。常规的两端网测试技术都是采用二端网进行，但具有所需设备多、操作简单、效率低、运算量大的特点。因此许多研究采用的测试方法为高精度的仪器阻抗分析仪，通过对变压器进行频谱的检测和运算，即可获得各分量的分布。
阻抗分析仪（Agilent4924A）是一种能够在较大的阻抗和频率下对器件和线路进行全面的检测和分析的试验设备，其利用电桥均衡技术的基本理论，在试验的广域（40～110MHz）中，其测得的阻抗准确度可达0.08%。由于其优良的Q/D 精确性，尤其适合于分析低损失的元器件，而更宽广的信号级也能精确地评价设备的工作状态。
在绕组电阻的测定中，为保证线圈的长度精确，变压器绕组时，应沿着变压器一次侧绕组和二次侧绕组之间的相同的线圈，从线圈开始到结束分别做标志，然后将两根电线拆下，采用阻抗计选取R-L的参数进行测试。这两条电线的阻值是变压器一次侧绕组和二次侧绕组的电阻。
4.1 分布参数影响
高频变换是电力隔离、能量传输和电压转换的关键部件。在工频工况下，变压器功率分配的参量可以被忽视，但变压器工作频段越长，变压器体积越小，效率越高，带来的问题就越多。比如，在高频率下，功率分配的参量直接关系到整个系统的工作性能，并直接关系到整个系统的效率。
漏电对高频变压器的开关管产生了正面和负面的作用。一方面，因为方波是一个电压脉冲，所以，在接通的一刹那，漏感的出现，会导致在较长的一段时间里，不会快速增加，从而减缓了电流的升高，有效地防止了开关管的短路。因为当电流过高时，由于区域电流密度过大，将造成断路器的破坏和烧坏。由于电流的存在和电流的分布，使电流发生瞬变，从而使次级端发生过压，就是电压峰值，当负荷增加时，电流就会增加。而在下降边缘相位，就是从接通到关断的一刹那，一次侧和二次侧回路都会出现一个电压峰值，主要是两个原因，一是因为在瞬间切换，在很小的一段时间里，高频变压器的磁场发生了剧烈的变化，如果电流太大，就会出现过载，超过了正常的电压，会对整个电路的工作造成很大的影响。另一方面，在关掉开关的一刹那，泄漏的电流会被快速地释放到周围的线路上，如果电流很低，就会导致电流的过载。漏感本质上是一个电感器，其是一种非功存储器件，其本身并不需要任何能量，但由于漏电流的出现，其会影响到系统的输出电阻，从而影响到变压器的输出[3]。
4.2 分布参数的处理
通过对高频变压器的分布参数的分析，发现由于功率分配的原因，使其工作时容易产生电流、电压尖峰以及EMI，从而对电力线路产生严重的安全威胁。要克服或减少对变压器的分布参数的影响，可以从铁芯结构、材料、线圈结构等方面入手，但由于各种原因的制约，对高频电压的分布参数的计算效果不佳。
处理漏感的第一种处理方式是加一个RCD 钳。电流感应能由一个完美的变压器与副边相连，而漏感会由于非耦合而无法传输到副边，若不加以控制，则会以寄生电容的方式将电能从电流中溢出，造成线路的电压过高或振动，从而导致线路的工作效率下降，严重时会造成电磁干扰。为了有效地控制这种效应，一般在一次侧增加一个RCD钳位器。在变
压器的一次侧加入RCD钳位回路，以吸收漏感中的蓄能，但不会对主励磁感应的能量传输造成干扰，从而使系统的工作效能下降。当开关管S1 关闭时，漏感会经由激磁电感、二极管及电阻器而释放，并在此期间对电容器进行充电器，当电容器的电位被增加时，二极管被反相关掉，再由电阻器将电容器排出。在此工艺中，RC的乘积数值的设定是非常重要的：如果RC的RC值过低，那么电容器C上的电压就会迅速地下降到副端的反相，在接通之前，电阻器R 就变成了负荷，损耗了变压器的能量，从而使工作效率下降；
C 获得值太大，则使C 处的电压逐渐升高，升高的持续较久，副边反激过冲较低，使变压器的电能无法向下侧传输；
当RC尺寸适当且开路时，电容器上的电压会被放出到靠近副端的反压，当第二个导通时，电容器中的能量恰好被放光。第二种方案是优化变压器绕组结构。虽然不能彻底消除高频变压器的漏感，但是只要电路设计和对绕组结构进行适当的优化，就可以减少漏感，同时，设计和绕制的合理与否也会对漏感产生较大的影响[4]。具体注意事项，在设计变压器时，要充分考虑变压器的铁心和线圈的匝数，并尽可能地将线圈填满铁心窗。而且在缠绕过程中，绕组要尽可能地靠近铁心，使其在空间上与磁路之间的距离更近，以获得较好的耦合效果。一次绕组与二次绕组之间要尽可能地紧。
本文简要地分析了漏感和分布电容对高频变压器的性能的影响，从理论上对其进行了全面的分析，并提出了解决方案使高频变压器的应用能够更为广泛。本文所提之方法仍有不足之处，且效能尚需改进，未来需要继续研究与改进。
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