[发明专利]一种大功率中频电力变压器设计方法

说明书

一种大功率中频电力变压器设计方法，包括：推导出方形利兹线的单股最优直径d_str‑opt和股数表达式k；推导出采用方形利兹导线的中频电力变压器的漏磁通道d_iso表达式，用于调整变压器的漏电感L_σ(pri)；基于中频电力变压器匝间绝缘材料的高频方波特征击穿电压，提出中频电力变压器主绝缘尺寸和纵绝缘尺寸计算方法；推导出方波电压激励下铁芯高频损耗P_core，方形利兹线高频损耗表达式P_HV和P_LV；基于推导的表达式，建立非支配排序遗传算法的中频电力变压器计算机辅助优化设计方法。本发明可以精确控制漏电感参数，提高中频电力变压器的功率密度和效率，降低了优化设计所需要的计算量和计算时间。

技术领域

本发明属于中频变压器设计领域，具体涉及一种大功率中频电力变压器设计方法。

背景技术

用于逆变器、开关电源等电力电子设备的低压小容量高频变压器的设计流程较为成熟，基于铁芯面积乘积公式法进行相关设计，计算出的是AP的最小值，所对应的铁芯尺寸也为最小值，因此从实用角度看至少应从铁芯产品手册中选择再大一号的铁芯。例如，一台反激式开关电源用高频变压器的设计实例，采用AP法选择铁芯时，计算得到的AP为0.48cm⁴，实际选择的铁芯规格的AP为0.91cm⁴。铁芯面积乘积公式还涉及到窗口利用系数，只能在设计之前按照经验估计，在设计过程中需要对该系数进行反复调整。

由此可知，假如采用AP法设计大功率中频电力变压器，可能会导致铁芯尺寸不能达到最优尺寸。此外，AP法没有考虑变压器的绝缘要求。几何参数法(K_G法)是一种在AP法基础上改进的方法，从满足一定电压调整率出发，同样存在AP法的缺陷。常规开关电源高频变压器容量较小，体积、重量、绝缘和温升问题并不突出。由于大功率中频电力变压器的频率、铁芯材料、绕组结构、绝缘、损耗和温升特性、电路拓扑和变压器参数配合等与开关电源高频变压器存在不同，传统的高频变压器设计方法不能直接应用于大功率中频电力变压器的优化设计。

国外科研机构在电力电子变压器领域起步较早，在大功率中频电力变压器设计方面已取得一些成果。2006年美国电力科学研究院研制了一台20kVA的单相固态变压器。该PET采用IGBT的二极管箝位型三电平变流器，受目前IGBT耐压水平(≤6.5kV)的限制，对6kV以上配电网来说，该PET的应用受到限制。2007年ABB公司研制了一台输入电压为15kV、容量为1.2MVA、隔离中频变压器频率为400Hz的机车牵引用电力电子变压器。采用16个子模块级联组成，单台中频变压器的容量为75kVA。2010年苏黎世联邦理工学院对电力电子变压器的开关管损耗、电路拓扑和调制等方面进行研究，也讨论了中频电力变压器铁芯拓扑结构的选择，但重点关注于变换器的效率优化。2012年北卡州立大学开展了基于碳化硅技术的电力电子变压器研究工作，试验模型中的同轴绕组式中频电力变压器的额定参数为：20kHz，20kW，12kV/400V。由于同轴绕组式变压器载流能力低，不适用于大容量应用场合。2016年瑞典查尔姆斯大学研制的中频电力变压器的额定参数为：5kHz，50kW，3kV/1kV，在设计流程中引入固定参数、自由参数等概念与约束，对选取的若干自由参数进行扫描取值，得到满足绝缘和温升约束条件的解集，设计方法强调了对漏电感的精确控制。2017年苏黎世联邦理工学院设计了一台20kHz，166kW，1kV/400V，导线采用规格为9500×71μm的圆形利兹线，效率达到99.47％。采用遗传算法，以中频电力变压器损耗和体积为优化目标，以开关频率和最大磁密为优化参数，得到满足温升等约束条件的Pareto前沿解，但并没有提及中频电力变压器的漏电感参数控制方法。