文献综述
1、研究背景和意义
大功率电力电子变压器通常工作在2k~10kHz的频段[1],此频段介于工频与传统意义的高频之间,称之为中频变压器。有着不同电压等级互联、电压变换、传输功率和电气隔离等功能[2],在隔离型DC-DC 变换器中起着不可缺少的作用。中频变压器与工频变压器最基本的区别是工作频率的不同,工作频率的不同进而对变压器的多方面产生影响。
现有电力电子变压器单个功率单元常采用AC-DC-AC的拓扑结构,而大功率中频变压器位于其中的DC-DC环节。双H桥DC-DC变换器采用的控制方式有移相控制与谐振控制。当采用移相控制时,需要变压器漏感达到一最小值才能满足电力电子器件软开关的要求[3-7];采用谐振控制时,漏感作为谐振电路的一部分,根据谐振换流原理,漏感需要与谐振频率、谐振电容匹配,才能使电路达到理想的谐振换流状态[8-10]。上述两种控制方式都对大功率中频变压器漏感参数的准确计算提出了要求。而频率升高所带来的涡流效应的影响,使得大功率中频变压器漏感参数计算过程相较于工频变压器更为复杂,且理想模型与实际工况的差异使得漏感的计算值与实际测量值存在较大的误差,这就需要针对大功率中频变压器推导简练而又准确的漏感参数解析计算公式。
相较于传统工频变压器,MFT 由于电磁耦合频率大幅提升而产生的集肤与临近效应,使得根据理想漏磁场模型推导 MFT 的漏感计算解析表达式的过程相对复杂[11-16]。而理想模型与实际的差异,使得MFT 漏感的计算值与实际值之间存在较大误差,尤其是对于大功率 MFT,漏感计算值的偏差有时甚至达到 20%以上。根据理想漏磁场模型与实际情况的差异,对漏感解析计算公式中的相应参数进行修正,减小MFT漏感的解析计算误差,对于PET软开关谐振参数的准确匹配具有重要的意义。
2、国内外研究现状及发展趋势
在电力电子变压器中,大功率中频变压器漏感参数与电力电子控制电路密切联:当采用移相控制时,需要变压器漏感达到一最小值才能满足电力电子器件软开关的要求;采用谐振控制时,漏感作为谐振电路的一部分,根据谐振换流原理,漏感需要与谐振频率、谐振电容匹配,才能使电路达到理想的谐振换流状态[8-10]。
大功率中频变压器漏感参数计算同样可以采用数值法[17-21]与解析法[22-28]两种方法;文献[17-21]通过建立实际变压器的有限元模型,通过电磁场仿真计算得到变压器模型的漏感值,虽然有较高的准确度但不具备通用性;文献[22-28]基于理想的中高频变压器解析模型,对不同类型的变压器漏感解析计算公式进行推导;文献[22,23]通过绕组交叉换位技术可以降低变压器漏感值;文献[24]对电动汽车充电器中谐振型DC-DC变换器中的变压器漏感参数进行设计,在未考虑涡流影响条件下,给出变压器漏感参数的解析计算公式;文献[25]分析了高频薄型变压器漏感的一维模型,提出一维模型不能区分不同的绕组类型,难以揭示不同绕组排列对变压器漏感所产生的影响。文献[26]在高频涡流场下,分析采用利兹线绕组的高频变压器的漏感与绕组尺寸、匝距以及股数之间的关系,并进行了相关公式的推导。文献[27]基于变压器漏磁场一维模型,在考虑变压器频率以及尺寸条件下,建立多绕组模型,并对变压器漏感解析计算公式进行了推导;文献[28]通过推导采用环形铁心的变压器的漏感计算公式,指出在计算漏感时忽略铁心,会导致计算结果不准确。
在考虑高频涡流所产生的集肤效应与邻近效应时,所推导的大功率中频变压器漏感解析计算公式通常较为复杂。并且推导均基于理想模型,计算准确性一般[29-38]。在考虑高频涡流影响的前提下,推导表达形式相对简易的大功率中频变压器漏感参数计算公式,且根据理想模型与实际变压器运行工况的差异,对相关解析参数进行修正,以提高漏感计算的准确度,有待进行深入的研究。
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