中频高压谐振铁芯电抗器的一种迭代设计方法

通镌电潦　】．：　２００６年３月２５日第２３卷第２期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｍａｒ．２５，２００６，Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．２　中频高压谐振铁芯电抗器的一种迭代设计方法　易娜，唐雄民，彭永进　（湖南大学电气工程学院，湖南长沙，４１０Ｏ８２）　摘要：针对常规ＡＰ法和ＡＧ法应用到容量较大的中频高压谐振铁芯电抗器时会出现气隙边缘效应因数Ｆ较大，要　求匝数修正幅度过犬的情况，提出一种能考虑铁芯气隙磁通边缘效应因数和无需对电抗器匝数进行修正的选代设计方　法。文中通过一个基于（：ｃ型铁芯的６３　ｋＶａｒ谐振电抗器的设计实例来说明本文迭代方法的设计流程，按此设计方法得　到谐振电抗器能很好地符合理论计算结果。　关键词：ＡＰ法；谐振电抗器；边缘效应因数；迭代　中图分类号：ＴＭ４７　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅ　Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｒｅａｃｔｏｒ　ＹＩ　Ｎａ．ＴＡＮＧ　Ｘｉｏｎｇ－ｍｉｎ，ＰＥＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｊｉｎ　（Ｓｃｈｏｏ１　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１　００７２。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔａｇｅ　ｏｆ　ｒｏｕｔｉｎｅ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｒｅａｃｔｏｒ，ｐｕｔｓ　ｆｏｒｔｈ　ａ　ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ—　ｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＰ　ｍｅｔｈｏｄ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｉ　ｅｄｇｅ～ｅｆｆｅｃｔ　ｆａｃｔｏｒ；ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　Ｏ　引　言　Ｐ　和所需的电感值Ｌ；由式（３）计算得到铁　的面积　乘积ＡＰ；根据ＡＰ的数值查找铁芯的规格型号；将铁　对于低压小电流的中、高频铁芯无直流偏置的交　心的Ａ　的值代入下式（４）计算线罔的匝数，＼，；在式　流电抗器的设计已经有许多成熟的方法，在这些设计　（５）中让Ｆ＝１计算气隙长度ｚｇ；将ｚｇ代入式（６）得到　方法中尤以ＡＰ法和ＡＧ法的应用最为广泛　ｊ。在　气隙边缘效应因数Ｆ．最后将Ｆ代人下式（７）得到修　应用ＡＰ法和ＡＧ法设计铁芯电抗器时，是先忽略漏　正后的匝数Ｎ。　磁计算出电抗器的匝数、电感值和气隙长度，然后再根　ＰＴ＝ＵＩ　（１）　据气隙边缘效应因数Ｆ来修正其匝数。这种修正方　Ｌ　（２）　法只适用于Ｆ较小的情况（通常Ｆ＜１．２），因为它是用　¨＾ｆ　减少匝数的方法来补偿因漏磁引起的电感增加。但是　ＡＰ＝＼ＫｆＰＴ￣　１Ｋｃ１Ｋ将ＡＰ法和ＡＧ法应用到容量较大的中频高压谐振铁　＿／０４　）　（３）　芷：电抗器时，会出现气隙边缘效应因数Ｆ较大，要求　Ｎ＝而Ｕ　Ｘ　１０　４　（４’　匝数减少的幅度过大的情况。匝数减少得太多，会使　磁通显著增加而较大地偏离原来的设计值，这叉导致　ｌ　ｇ　—————　—～Ｏ．４７ｒＮ２Ａ￣Ｆ￣１０－ｓ——　　（５）一———————　——一——　＼３　铁损等指标变坏，从而使原来的设计失去意义。　针对　这一问题，本文提出了一种迭代设计法，这种方法同时　Ｆ＝ｉ＋　Ｉｎｆ　１　（６）　考虑了气隙长度范围和气隙磁通边缘效应因数，并根　￣／Ａ　＼￡ｇ，　厂一——　ｆ了——一　据设计所需得电感数值来求解满足要求的铁　蚤规格和　电抗器的匝数，从而无须对电感器的匝数进行修正。　√　）　在上面各式中，厂为电抗器的工作频率；Ｌ为电　１　常规ＡＰ设计方法简介Ｅ　］　抗器的值；，为电抗器工作电流的有效值；Ｋ　为窗口　如果设计的要求是电感承受的电压Ｕ和流过电　填充系数；Ｋｆ为波形系数；Ｋ；为铁芯结构参数；Ｂｗ　感的电流ｊ，以及电源频率　，一般说来有以下没计流　为工作磁密；Ａ为铁芯的窗口的长；Ｎ和Ｎ　为修正前　程。首先根据铁心材料的性能选定磁通密度Ｂｗ；然　后的线圈匝数；　为气隙的长度；Ｆ为气隙的边缘效　后根据下面的式（１）及式（２）计算电感器的视在功率　应因数值。　由上面的设计过程可以看出，气隙的长度ｌ　应该　收稿日期：２００５—１１一）２　同时满足式（５）和式（６），而常用的设计方法采用了试　作者简介：易娜（１９８１一），女，湖南大学电气工程学院硕士研　凑法，即先令Ｆ＝１第一次用式（５）计算匝数Ｎ，用式　究生，研究方向：电力电子技术。　（６）求出Ｆ后，再代入式（５）解出匝数』ｖ。这种方法求　－４３・　维普资讯 http://www.cqvip.com

通缱电．碌强术　２００６年３月２５日第２３卷第２期　Ｔｅ［ｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｍａｒ，２５，２００６，Ｖｏｌ，２３　Ｎｏ．２　得的只是很不精确的解，因为将Ｎ修正为Ｎ后，ｚ　和　Ｆ也会有相应的改变，只作一次修正，式（５）、（６）和（７）　都只是近似地满足；另一方面，将Ⅳ代人式（４）后，磁　通密度会显著增加，这叉导致铁损等指标变坏。以上　设计方法很难设计大功率谐振电抗器，因为当Ｐ－ｒ数　值较大时，匝数Ｎ与修正后的匝数Ｎ　相差过大，以上　误差无法忽略。　２本文提出的迭代设计方法　联立求解式（５）、（６）可以得到精确匝数Ｎ　，但仍　不够，因为仍无法解决磁通密度显著增加的问题。为　此，本文提出一种包括式（４）的迭代设计方法，其流程　图如图１。　图１迭代设计的流程图　对这个流程图需做４点说明：　（１）选铁心材料时（第３项），一般地说频率较低　时用硅钢片，高频小功率用铁氧体，中频而功率较大　时，非晶材料是不错的选择［３１；值得强调的是选定铁心　材料后，其工作磁通密度Ｂｗ是一个重要的参数，Ｂｗ　太大会使铁心饱和，铁损增加和铁心过热，而Ｂｗ选小　了又会增加电抗器的成本和体积。　（２）选铁心型号及计算匝数Ｎ（第５项），选定铁　心型号后就可查出和计算铁心的几何参数，并代人式　（４）计算匝数Ｎ。显然，这个匝数只保证得到设计的　磁通密度Ｂｗ，而电感的数值还与气隙的长度ｌ　有关。　（３）计算Ｆ及ｌ　（第６项），没有采用先设Ｆ＝１然　后再修正的方法，而是联立求解方程（５）及（６），其结果　是精确的，但得出的Ｆ及ｌ　可能太大。　（４）判断Ｆ及ｌ　是否太大（第７项），预先设定最　大边缘效应因数　，要求电抗器的边缘效应因数Ｆ要　小于，否则漏磁太大，使铁心因局部饱和而过热，漏磁　散布得太宽也可能使电抗器外壳和结构件发热；如果　Ｆ＞　，就要返回到第５项，加大铁心尺寸，再进行一　次循环。可以证明．加大铁心尺寸可以减小Ｆ。　３设计实例　设需要设计的大功率谐振电抗器的具体指标和参　・４４・　数如下：　（１）电抗器的数值为Ｌ＝７（）ｍＨ；　（２）电抗器工作电流波形近似为正弦波，有效值　为ｊ：１２　Ａ；　（３）工作频率为．，　：１　０００　Ｈｚ；　该例没有给出电抗器的电压，而是给出了电感值，　因而第２项的计算内容稍有区别，但仍可求出　Ｕ＝２ｒｒｆＬＪ＝２ｒｒ×１０（）０　ｘ　７３×１（）一　×１２＝５　５０４　Ｖ　Ｐ　＝ＵＩ＝５　５（）４×１２＝６６．１×１０　ＶＡ　这样的容量和频率等级的电抗器，选非晶材料带　气隙的ＣＣ型铁芯为宜，其最大工作磁通密度可达到１　～１．２　Ｔ。义取Ｋｆ＝４．４４、Ｋ．：４６８、Ｋ（）＝０．４和Ｘ＝　一（），１４，程序第３项的输出是Ａ＿Ｐ：＼Ｋ　ＰＴ　Ｘ１ＫＫ０　４　）南　ｉ　＝（＼　４４．　４丽０×．×篇４　４　×６８　１　×．０而００丽０）８）　而＝３　５…’６７．　９　（ｃｍ　）　拟选用北京安泰公司的ＣＦ系列电抗器Ｃ型铁　芯，但其最大号ＣＦ２１０的也只有Ａｗ：６５　ＣｌＴＩ　和Ａ　：　１４　Ｃ１ＴＩ　（图２给出了ＣＦ２１０的结构示意图），ＡＰ㈣　：　ＡｗＡ　＝６５　ＣＩＴＩ　ｘ　１　４　ＣｌＴＩ　＝９１（）（ＣＩＴＩ　）。显然，单个铁心　无法满足设计要求，而更大规格的铁心必须定做，交货　周期长且须一笔不小的开模费，笔者选择了几个　ＣＦ２１０铁芯并联的方案。先后以ｍ：４、５、６对铁心并　联，按图１的流程进行计算，得到的结果如表１。　表１迭代计算的结果　。工从表１的数据可以看出，当　＝５时，结果比较合　适，图３给出这组参数下的电抗器设计实物图。　ｒ，－——　、－　．．．．．．．．．．．．．．．一／　图２　ＣＦ２１０型铁芯的结构示意图　Ｉ一　图３设计实物　通过测量得到的设计实物的电感数值为７６ｍＨ　（下转第４７页ｌ　口维普资讯 http://www.cqvip.com

通镌电潦　笙　旦２５日第２３卷第２期　术　李凯等：多组变压器在低压　大电流开关电源中应用的研究　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｍａｒ．２５，２００６，Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．２　二极管的特性无关。　在换流期间，由于变压器原副边短路，忽略变压器　原副边线路阻抗，因此原边电压为零；此时变压器对副　边电流的平衡不起作用，副边输出电流因肖特基二极　管特性的差异而不相同。虽然，在此期间副边电流可　ｔ／ｍｓ　能不相同，但由于副边所有肖特基二极管同时导通，共　（ａ）三组变压器原边电压波形　同分担电流，电流小于能量传递时通过的电流。　４结论　通过使用多组变压器原边串联副边并联的结构，　可以避免由于肖特基二极管正的电流温度系数而导致　的并联不均流的问题，通过变压器实现副边的自动均　ｔ／ｍｓ　（ｂ）Ａ处电压放大图　流。在低压大电流开关电源中有较广泛的应用，可以　图６三组变压器原边电压波形　使得变压器的设计模块化，简化变压器的制作工艺。　参考文献：　［１］Ｆｅｒｎｑｖｌｓｔ（；．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＨＣ　ｐｒｏ—　ｊｅｃｔＥＣ］．ＣＰＥＭ　９８，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，１９９８．　Ｅ２］卢家林，苏彦民．一种新型的大功率高性能逆变电源控　制方案口］．电工电能新技术，２０１）２，２１（１）：７３—７７．　［３］姜桂宾，裴云庆，刘海涛，于兆安．１２　ＶＰ５（）００Ａ大功率　图７　Ｌ）＿、Ｉ）３、【）５电流波形　软开关电源的设汁［Ｊ］．电工电能新技术，２００３，２２（１）：　电压的不相同；但变压器副边输出电流相同，与肖特基　２４—２７．　‘　ｉ、　一；＼　，　！／　、　！。．、！，　，　／　也，．、！　／ｌＩ、　‘、　１一　（上接第４４页）　（１　０００　Ｈｚ下），其设计误差约为８　９／６，这就很好地证明　过本设计流程得到参数能较好地满足工作设计需要。　了本文的设计方法能够较好地满足工程应用上对谐振　电抗器的设计要求。　参考文献：　４结论　［１］张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计（修订版）［Ｍ］．　北京：电子工业出版社，２００４．　本文针对采用常规的ＡＰ法设计中频高压大功率　［２］王兆安，张明勋．电力电子设备设计和应用手册［Ｍ］．北　的谐振电抗器出现的问题，对常规的ＡＰ法进行适当　京：机械工业出版礼，２００２．　的改进，使之能根据电抗器的数值、铁芯气隙长度和气　［３］赵修科．磁性元器件分册（实用电源技术手册）［Ｍ］．沈　隙边缘气隙效益数值方便的设计谐振电抗器。本文通　阳；辽阳科学技术出版社，２００２．　过一个无功功率约为６３Ｋｖａｒ的高压中频谐振电抗器　［４］　电子变压器专业委员会，电子变压器手册［Ｍ］．沈阳：辽　宁科学技术出版社，２００２．　的设计来验证本文设计方法的正确性。实验证明，通