[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

说明书

本发明涉及一种三相高频大功率变压器多目标优化设计方法，属于高频变压器设计领域。该方法将功率密度PD、效率η、单位损耗散热面积S_heat、漏电感L_σ作为目标函数，以窗口高度b、磁芯横截面宽度w、磁芯横截面长度d、初级绕组Y_1i线径D_p、次级绕组Y_2i线径D_s以及初级绕组Y_1i的匝数N_p作为输入变量，构建多目标优化数学模型代入NSGA‑II多目标遗传算法进行多目标寻优。适用于三相LLC谐振变换器三相高频大功率变压器的优化设计。此方法具有高精度的模型分析和较小的优化计算量，在满足绝缘能力的条件下，提高变压器的功率密度、效率和热可靠性，并使寄生参数可控。

技术领域

本发明涉及一种三相高频大功率变压器多目标优化设计方法，属于高频变压器设计领域。

背景技术

电力电子变压器具有体积小，重量轻，无绝缘油等优点，因而得到了广泛关注，电力电子变压器由高频大功率变压器和电力电子变流器组成。

工作频率的提高可以提升高频大功率变压器的功率密度。但同时也会导致损耗的增加，导致效率降低。并且体积的小型化使导热面积减小，导致散热困难。同时三相高频大功率变压器通常覆盖绝缘材料以满足高压环境，使散热性能进一步下降，此外，三相高频大功率变压器的寄生参数也会对电力电子变压器的工作特性产生偏差。因此，三相高频大功率变压器的设计需要综合考虑功率密度、效率、散热能力和寄生参数等多个优化设计目标，并且往往存在冲突，不能同时达优，所以三相高频大功率变压器的设计是一个多目标优化问题。

传统的变压器设计方法，如AP法和几何参数法，通常根据经验计算AP 值等参数，并据此对商用磁芯进行选择，这样的设计方法通常无法选择使功率密度和效率达到最优，并且无法对绝缘需求进行针对性设计，存在一定缺陷。

三相LLC谐振变换器具有电流应力小，滤波电容纹波低，全负载软开关的优点在电力电子变压器中得到广泛应用。因而亟需一种具有方便且准确的适用于三相LLC谐振变换器的三相高频大功率变压器优化设计方法。

目前，高频大功率变压器优化设计方法已经成为研究热点问题。主要研究目标在于高频大功率变压器模型的高精确性，优化方法的低计算量，追求设计高频大功率变压器的低成本、高功率密度、高效率、高可靠性以及准确可控的寄生参数计算。这既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法其中，如发明专利申请《一种大功率中频电力变压器设计方法》(CN 110517874A)和《一种高频大功率三相变压器设计方法》(CN112052562A)。

中国发明专利申请说明书CN110517874A于2019年11月29日公开的《一种大功率中频电力变压器设计方法》针对应用于双有源桥(DAB)变换器中的大功率中频电力变压器提出了一种设计方法，其使用方形多股绞线绕制绕组，磁芯采用卷绕铁芯设计，通过非支配排序遗传算法，以效率和功率密度为优化目标，最大温升和绝缘条件为约束条件进行优化设计，此方案能精准控制漏电感的参数，提高中频电力变压器的功率密度和效率。但是存在以下不足：

1)仅计算了变压器的理论最大温升并作为限制条件，并且由于绝缘材料的包裹，理论最大温升的计算存在误差，无法准确量化优化设计后变压器的散热能力；

2)绝缘距离的存在使方形多股绞线绕组的高频Dowell模型存在一定误差，并未给出解决方法；

3)变压器漏电感的计算未代入NSGA-II多目标遗传算法，漏电感需要在完成优化设计后自行计算，增加了工作量。