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由于光伏發電逐漸形成大規模集中開發和中高壓接入電網的局面，對電氣設備的體積和質量也有一定的限制，使得中壓大功率電力電子變壓器受到了廣泛關注。相比于傳統低頻變壓器，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量。受目前開關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多個模塊化大功率DC-DC變換器級聯實現，在低壓側并聯，高壓側串聯。

中頻變壓器（Medium Frequency Transformer, MFT）作為DC-DC變換器的核心器件之一，由于自身結構的緊湊性，以及中頻和中壓的結合，使其設計具有較大的挑戰性。

首先，頻率的升高雖然可以實現更高的功率密度，但也會導致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，中壓帶來的絕緣需求也會產生兩個問題：①高壓側繞組和低壓側繞組之間需要保持較大的絕緣間距，這使得MFT會產生更多的高頻漏磁，從而對DC-DC變換器中的其他電路產生電磁干擾，影響穩定性；②MFT內部澆注隔熱的絕緣材料，這導致變壓器的散熱難度進一步增大。所以在設計MFT時，不僅需要滿足功率密度的需求，而且也需要最小化損耗來盡可能地降低溫升，同時也要兼顧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和鄰近效應的影響。繞組選擇利茲線或者銅箔可以有效地降低趨膚效應的影響；改變繞組排布（繞組層數）和鐵心尺寸可以降低繞組周圍的磁場強度，從而降低鄰近效應的影響。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鍵參數。

由于鐵心磁導率不是無窮大，故實際MFT會存在漏磁通。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載范圍內實現軟開關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，漏感越小使得LLC諧振變換器的諧振電容電壓應力越小；另一方面，因為模塊化DC-DC變換器的功率密度較高，MFT的高頻漏磁通產生的電磁干擾可能會在周圍電路上產生感應電壓和電流，同時產生額外損耗，從而降低電路穩定性和變換器的效率。因此，在設計MFT時應盡量減少漏磁通或對其進行屏蔽。

MFT的優化設計方法已有較多研究。面積乘積（Area Product, AP）法作為常用的MFT設計方法，能夠快速地通過解析公式對MFT進行設計。但因為AP法對鐵心的設計多是根據其計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到最小。

為了實現中壓絕緣大功率MFT的損耗最小化設計，同時兼顧電磁干擾問題。合肥工業大學電氣與自動化工程學院的科研人員王佳寧、鄒強、胡嘉汶、裴偉、趙玉順，在2022年第12期《電工技術學報》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構的MFT優化設計方法。

圖1 MFT的優化設計方法流程

該方法使用AP法設計鐵心體積，建立鐵心和繞組損耗模型并通過自由參數掃描使MFT損耗達到最小。研究人員對所述的MFT損耗最小化方法進一步分析，證明其也會帶來漏感的降低以及電磁干擾區域的縮小。

圖2 優化設計的MFT樣機

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

他們最后通過鐵心和繞組的定制化，制作了一臺應用于LLC諧振變換器的35kV絕緣、200kW、30kHz的MFT樣機。通過理論和實際的效率對比，驗證了該方法的有效性和準確性。LLC諧振變換器的最高實測效率可達99.18%。同時變壓器也未出現散熱問題，在沒有考慮加入絕緣材料的條件下，變壓器的實測溫升遠低于設計要求，為后面繼續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《電工技術學報》，論文標題為“一種中壓絕緣大功率中頻變壓器的優化設計方法”。本課題得到了國家自然科學基金面上項目、合肥綜合性國家科學中心能源研究院項目和高等學校學科創新引智計劃項目的支持。