论文部分内容阅读
大功率高频变压器在电能变换领域有着广泛应用背景，作为能量路由器的关键部件，大功率高频变压器承担着电气隔离与电压变换等功能，其性能对能量路由器整机功率传输特性起着重要影响。装置高频化在提升功率密度的同时，也带来了损耗、绝缘、温升等方面的问题，增加了设计难度。本文对大功率高频变压器的损耗特性、漏感模型、样机设计三个方面开展了实证研究。
首先，绕组损耗影响高频变压器的效率与温升，针对大功率高频变压器常用绕组形式，论文分析了铜箔与利兹线在高频下的绕组损耗解析计算方法，并通过有限元仿真对利兹线绕组损耗多个解析公式的精度进行了验证，得到Tourkhani公式误差最小的结论；同时，推导得到了一定频率下，为使绕组损耗最小，铜箔与利兹线各自的最优厚度或直径。在任意波形激励磁芯损耗计算方面，论文介绍了基于时域统一模型的瞬态有限元仿真以及以Steinmetz公式为基础的多种半经验修正算法，并在方波激励下进行实验验证，发现IGSE算法精度已经足够，可作为大功率高频变压器设计参考。
其次，高频变压器的漏感影响变换器功率传输与软开关特性，论文建立了高频下利兹线的漏磁能量模型，并提出了一种用于精确计算利兹线绕组高频变压器漏感的解析公式，该公式考虑利兹线内漏磁能量的频变效应，并计及了填充系数的影响；使用 Sobol等全局敏感性算法，评估了变压器各结构参数对漏感的影响，发现改变原副边绕组绝缘距离是调整变压器漏感的主要有效手段之一；绕制了两台变压器样机进行测试，验证表明所提利兹线绕组变压器漏感模型在宽频域内均保持了较高精度。
最后，研制了一台纳米晶磁芯 10kHz/200kVA 干式大功率高频变压器样机。综合考虑了温升-磁密约束、漏感-绝缘约束、最优绕组选择、散热优化等因素，对其设计方案进行了详细介绍，并进行了部分实验。通过间接测试法得到的样机效率为 99.87%，功率密度为1.54kW/kg (8.7kW/L)，漏感为8.7μH，最热点温升仿真值为69K，该样机综合指标接近国际先进水平。
首先，绕组损耗影响高频变压器的效率与温升，针对大功率高频变压器常用绕组形式，论文分析了铜箔与利兹线在高频下的绕组损耗解析计算方法，并通过有限元仿真对利兹线绕组损耗多个解析公式的精度进行了验证，得到Tourkhani公式误差最小的结论；同时，推导得到了一定频率下，为使绕组损耗最小，铜箔与利兹线各自的最优厚度或直径。在任意波形激励磁芯损耗计算方面，论文介绍了基于时域统一模型的瞬态有限元仿真以及以Steinmetz公式为基础的多种半经验修正算法，并在方波激励下进行实验验证，发现IGSE算法精度已经足够，可作为大功率高频变压器设计参考。
其次，高频变压器的漏感影响变换器功率传输与软开关特性，论文建立了高频下利兹线的漏磁能量模型，并提出了一种用于精确计算利兹线绕组高频变压器漏感的解析公式，该公式考虑利兹线内漏磁能量的频变效应，并计及了填充系数的影响；使用 Sobol等全局敏感性算法，评估了变压器各结构参数对漏感的影响，发现改变原副边绕组绝缘距离是调整变压器漏感的主要有效手段之一；绕制了两台变压器样机进行测试，验证表明所提利兹线绕组变压器漏感模型在宽频域内均保持了较高精度。
最后，研制了一台纳米晶磁芯 10kHz/200kVA 干式大功率高频变压器样机。综合考虑了温升-磁密约束、漏感-绝缘约束、最优绕组选择、散热优化等因素，对其设计方案进行了详细介绍，并进行了部分实验。通过间接测试法得到的样机效率为 99.87%，功率密度为1.54kW/kg (8.7kW/L)，漏感为8.7μH，最热点温升仿真值为69K，该样机综合指标接近国际先进水平。