Н.Ю. Веретенников1, А.В. Турецкий2, В.М. Питолин3, К.Д. Ципина4

1-4 ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» (г. Воронеж, Россия)

Постановка проблемы. Основное отличие высокочастотных эффектов, возникающих в трансформаторах без чередования, от высокочастотных эффектов в трансформаторах с чередующимися обмотками заключается во взаимной компенсации магнитных полей противоположного направления при чередовании обмоточных слоев в трансформаторах. Но данное отличие отсутствует в обратноходовых трансформаторах, в которых токи в обмотках протекают попеременно, а следовательно, поле не может быть скомпенсировано при чередовании обмоток, что является основным недостатком этих трансформаторов, препятствующим повышению частоты преобразования и уменьшению их габаритных размеров. Однако потери могут быть снижены в результате перераспределения поля между обмотками за счет чередования слоев. Вследствие того, что рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату токов на границах слоев за счет перераспределения полей на границах слоев в каждом такте работы трансформатора удается добиться снижения эффекта близости на границах каждого слоя, и, как следствие, снижение высокочастотных потерь в обмотках. В данной работе рассматривается проблема оптимизации потерь, вызванных эффектом близости в обмотках при уменьшении габаритных размеров трансформаторов обратноходовых преобразователей электроэнергии.

Цель. Обоснованно показать, что чередование проводящих слоев в магнитных компонентах с попеременным включением обмоток позволяет повысить их эффективность при работе на высоких частотах, что делает возможным уменьшение их массогабаритных показателей.

Результаты. Рассмотрены оптимизация потерь и выбор конечной топологии трансформатора с применением аналитического метода расчета потерь, вызванных эффектом близости в магнитных компонентах, работающих с накоплением энергии. Проведено моделирование потерь, вызванных эффектом близости в магнитных компонентах, в трансформаторах для различных топологий обмоток, результаты которого подтвердили выводы, сделанные на основе аналитических расчетов. Выполнена оценка эффективности предлагаемых топологий, а также проведена верификация аналитического метода расчета потерь.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании высокочастотных трансформаторов обратноходовых преобразователей, что позволяет значительно снизить габаритные размеры изделия за счет увеличения частоты работы магнитного компонента, сохранив при этом потери, вызванных эффектом близости в магнитных компонентах, на приемлемом уровне.

Веретенников Н.Ю., Турецкий А.В., Питолин В.М., Ципина К.Д. Оптимизация высокочастотных потерь в медных проводниках при уменьшении габаритных размеров трансформаторов в обратноходовых преобразователях электроэнергии // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 7. С. 20-24. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202207-04

1. Dixon L.H. (Jr.) Eddy Current Losses in Transformer Windings and Circuit Wiring.
2. Bennett E., Larson S.C. Effective Resistance to Alternating Currents of Multilayer Windings // Electrical Engineering. 1940. V. 59. P. 1010-10163.
3. Веретенников Н.Ю., Моисеенко А.А. Методика расчета и оптимизации высокочастотных потерь в магнитных компонентах // Сб. трудов XXVII Междунар. науч.-технич. конф., посвящ. 60-летию полетов в космос Ю.А. Гагарина и Г.С. Титова
   «Радиолокация, Навигация, Связь». В 4 томах. Воронеж. 2021. С. 185-193.
4. Vandelac J.P., Zoigas P.D. A Novel Approach for Minimizing High-Frequency Transformer Copper Losses // IEEE Transactions on Power Electronics. 1988. V. 3. № 3. Р. 266-277.