[发明专利]一种三相高频大功率变压器的多目标优化设计方法

权利要求书

1.一种三相高频大功率变压器的多目标优化设计方法，所述三相高频大功率变压器应用于三相LLC谐振变换器，包括三个相同的单相变压器、一个上磁轭S、一个下磁轭X和绝缘结构；所述绝缘结构包括主绝缘结构J₁和次绝缘结构J₂；

将三相高频大功率变压器中任一个单相变压器记为i相变压器G_i，i代表相，i＝A,B,C，所述i相变压器G_i从内向外由一个横截面为矩形的磁芯柱Z_i、一个初级绕组Y_1i和一个次级绕组Y_2i组成，初级绕组Y_1i、次级绕组Y_2i的形状均与磁芯柱Z_i相同，且三者保持同心，在磁芯柱Z_i和初级绕组Y_1i之间填充了次绝缘结构J₂，在初级绕组Y_1i和次级绕组Y_2i之间填充了主绝缘结构J₁，将磁芯柱Z_i的高度记为窗口高度b、磁芯柱Z_i的横截面的宽度记为磁芯横截面宽度w、磁芯柱Z_i的横截面的长度记为磁芯横截面长度d；

所述上磁轭S和下磁轭X的形状为相同的长方体，该长方体的高度与磁芯横截面宽度w相等、宽度与磁芯横截面长度d相等；三个相同的单相变压器按照等距a依次并排设置在上磁轭S和下磁轭X之间，且在三个单相变压器与上磁轭S之间、下磁轭X之间均保留一定的空间，将等距a记为窗口长度a；在三个磁芯柱Z_i与上磁轭S相对的空间中铺设了相同厚度的非导磁材料，该非导磁材料形成一个气隙层Q；三个变压器的三个次级绕组Y_2i与上磁轭S之间、与下磁轭X之间的空间内均填充有次绝缘结构J₂；

初级绕组Y_1i和次级绕组Y_2i采用圆形多股绞线绕制；

其特征在于，所述多目标优化设计方法包括以下步骤：

步骤1，设计要求和参数的选择；

梳理三相高频大功率变压器设计要求，包括额定功率P_N、初级绕组Y_1i两端电压V_in、工作频率f、流经初级绕组Y_1i的电流I_p、流经次级绕组Y_2i的电流I_s、匝比n和输出电压级U_o；

根据设计要求选择三相高频大功率变压器的以下参数：磁芯牌号及其第一损耗参数k，第二损耗参数α，第三损耗参数β；圆形多股绞线的单匝线径d_s及其有效面积系数K_w；主绝缘结构J₁的厚度d_ps和次绝缘结构J₂的厚度d_cs；

步骤2：建立三相高频大功率变压器体积模型，计算功率密度PD，其表达式为：

式中，V为三相高频大功率变压器的体积；D_p为初级绕组Y_1i的线径,D_s为初级绕组Y_1i的线径；

步骤3：建立三相高频大功率变压器损耗模型，计算效率η和单位损耗散热面积S_heat，表达式为：

式中，P_Fe为三相高频大功率变压器的磁芯损耗，P_Cu为三相高频大功率变压器的绕组损耗，S为三相高频大功率变压器的表面积；

步骤4：建立三相高频大功率变压器漏电感模型，计算漏电感L_σ，其表达式为：

式中，N_p为初级绕组Y_1i的匝数，MLT_p分别为初级绕组Y_1i的匝长，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π/10^-7，d_eq为圆形多股绞线单匝线径d_s的等效宽度，k_sp为绕制初级绕组Y_1i的圆形多股绞线股数，k_ss为绕制次级绕组Y_2i的圆形多股绞线股数，hwp为初级绕组Y_1i的高度，F_w1为初级绕组Y_1i有效面积等效因子，F_w2为次级绕组Y_2i有效面积等效因子；

K_rp为Rogowski因子，其表达式为：

式中，dwp为初级绕组Y_1i的厚度，dws为次级绕组Y_2i的厚度；

步骤5，在设定的约束条件下，构建三相高频大功率变压器的多目标优化数学模型；

综合步骤2、步骤3、步骤4建立的三相高频大功率变压器体积模型、损耗模型、漏电感模型，以功率密度PD为目标函数f₁、效率η为目标函数f₂、单位损耗散热面积S_heat为目标函数f₃、漏电感L_σ作为目标函数f₄，以窗口高度b为输入变量x₁、磁芯横截面宽度w为输入变量x₂、磁芯横截面长度d为输入变量x₃、初级绕组Y_1i的线径D_p为输入变量x₄、次级绕组Y_2i的线径D_s为输入变量x₅、初级绕组Y_1i的匝数N_p为输入变量x₆，在设定的约束条件下，构建三相高频大功率变压器的多目标优化数学模型，其表达式为：

设定的约束条件如下：

式中，x_k为输入变量，k＝1,2,3,4,5,6，x_kmin为输入变量x_k的取值下限，x_kmax为输入变量x_k的取值上限，hws为次级绕组Y_2i的高度；

步骤6：采用多目标遗传算法NSGA-II对步骤5建立的三相高频大功率变压器的多目标优化数学模型进行求解，得到最优解集，然后对求得的最优解集求取平均值，选择最为接近平均值的最优解A作为三相高频大功率变压器的设计方案；

步骤7：根据三相LLC谐振变换器的关断电流、增益趋势和软开关特性确定励磁电感L_m值，并通过调整气隙层Q厚度来得到所需的励磁电感L_m值。