[发明专利]一种高频大功率三相变压器设计方法

权利要求书

1.一种高频大功率三相变压器设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：推导出绕组电流i_LA的有效值表达式I_LA(rms)；采用基波分析方法，推导出绕组电流i_LA各阶次谐波电流分量幅值的表达式；

步骤一中，根据高频三相变压器的绕组电流i_LA为分段线性波形，推导出绕组电流i_LA的有效值表达式I_LA(rms)为：

式中：T_s为周期；L_σ(pri)为归算至原边侧的漏电感；V_in、V_out分别为变换器两端电压；为逆变和整流侧三桥臂变换器的门控信号之间的移相角；

绕组电流i_LA各阶次谐波电流分量幅值的表达式为：

式中：为V_in侧全桥逆变输出电压的第n次谐波幅值；为V_out侧全桥逆变输出电压折合到V_in侧后的第n次谐波幅值；

第n次谐波电压的幅值为：

式中，ω为角频率，ω＝2πf_s；

步骤二：推导出六阶梯电压激励下，铁芯高频损耗P_c、扁铜线的原、副边绕组高频损耗表达式P_wp、P_ws；

铁芯高频损耗P_c为：

式中，B_max和B_min分别为磁通密度波形曲线的最大值和最小值；T_s为周期；(B_i,t_i)为分段线性磁通密度波形的第i个折点；C_m、α、β为损耗系数；k_i的表达式如下：

原、副边绕组高频损耗表达式P_wp、P_ws为：

式中，分别为原边绕组和副边绕组第n次电流谐波下的交流电阻系数；R_wpDC、R_wsDC分别为原边绕组和副边绕组的直流电阻，计算式如下：

式中，σ_w为绕组导体的电导率；N_l1和N_l2分别为原副边绕组每层匝数；m₁和m₂分别为原副边绕组层数；MTL₁和MTL₂分别为原副边绕组平均匝长；d_f1和d_f2为原副边扁铜线厚度；h_f1和h_f2为原副边扁铜线宽度；

步骤三：推导出采用扁铜线的高频变压器的漏电感L_σ(pri)表达式；

式中，MTL为绕组平均匝长；γ为复传播常数，γ＝(1+j)/δ_w，δ_w为集肤深度；d_ins1和d_ins2为原副边绕组层间绝缘厚度；d_iso为原副边绕组隔离距离；N_l1为原边侧绕组每层的匝数；m₁和m₂分别为原副边绕组的层数；h_w为铁芯窗口高度；k_p1、k_p2、k_s1和k_s2的计算式如下：

k_p1＝sinh(2d_f1γ)-2d_f1γ

k_p2＝sinh(2d_f2γ)-2d_f2γ

k_s1＝d_f1γcosh(d_f1γ)-sinh(d_f1γ)

k_s2＝d_f2γcosh(d_f2γ)-sinh(d_f2γ)

集肤深度δ_w的表达式为：

式中，ρ_w为铜电阻率；σ_w为铜电导率；μ₀为真空中磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m；f_s为正弦交变电流的频率；

步骤四：确定高频三相变压器系统参数；

步骤五：建立以效率η和功率密度P_s为优化目标，以最大允许温升、绝缘水平、漏电感参数为约束条件，以扫描参数为自变量的多目标优化数学模型，通过自由参数扫描法实现变压器设计；

所述步骤五中，以扫描参数为自变量的多目标优化数学模型如下：

式中，P_c为变压器的铁芯损耗；P_wp和P_ws为原、副边绕组的损耗；V_box为变压器的体积；L_σ为漏电感的实际值；L_σt为漏电感的目标设计值；

约束条件如下：

式中，x_i为第i个待优化的变量，取值上限值为x_imax，取值下限为x_imin；△T_r和△T_rmax分别为最大温升和最大允许温升；d_iso为原副边绕组之间的距离，考虑耐受电压水平的限制，不能小于原副边绕组之间最小隔离间距d_iso-min。