大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法技术

大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，确定空心变压器ACT最佳的绕组连接方式、以及两组线圈电流的相对流向；以空气作为绝缘介质，计算原、副边之间的隔离距离，并在两组线圈、以及层与层之间放置NOMEX；确定空心变压器ACT设计参数，提取不同结构下归一化为单匝绕组的电磁参数；计算所有空心变压器ACT的系统参数；计算Litz线高频损耗；从频率、损耗和散热三个方面，对获得的所有设计结果进行优化,并根据Parato多目标优化设计结果选择合适的空心变压器ACT结构。该设计方法可为ACT设计过程中涉及的绕组布置和连接方式、绝缘和冷却设计、磁屏蔽设计等关键问题提供指导和借鉴。磁屏蔽设计等关键问题提供指导和借鉴。磁屏蔽设计等关键问题提供指导和借鉴。

【技术实现步骤摘要】
大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法


[0001]本专利技术涉及空心变压器设计领域，具体涉及一种大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法。

技术介绍

[0002]DC
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DC变换器在现代各类能量转换系统中起着至关重要的作用，广泛应用在可再生能源发电、大型数据中心供电、电动汽车充电、电力推动式飞行器等领域。固态变压器(Solid State Transformer,SST)是DC
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DC变换器的核心元件，为了减小变压器重量并提高变换器的紧凑性，SST通常制作成中/高频磁芯式变压器(Magnetic Core Transformer,MCT)。伴随着MCT容量增大、频率升高和磁路结构缩小，由此造成的冷却和绝缘问题提高了MCT的设计和加工难度。此外，磁芯和绝缘材料的质量限制了MCT功率密度的提升，这些问题让MCT在诸如航空航天这类对载荷有严格要求的应用中体现不出优势。与MCT相比，空心变压器(Air
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Core Transformer,ACT)有许多优点。ACT主体结构仅由原边和副边线圈组成，散热和绝缘设计相对简单；ACT不存在铁心引起的磁滞损耗、涡流损耗和振动噪声等问题；ACT质量轻，易于实现较高的重量功率密度等。这些优点使ACT具有很重要的研究意义与很高的潜在应用价值。
[0003]常见的ACT绕组结构有两类：盘形线圈与圆柱形线圈。
[0004](一)、在盘形线圈方面，文献[1]:R.Bosshard,J.W.Kolar,and J.Muehlethaler,Modeling andη
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α
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Pareto Optimization of Inductive Power Transfer Coils for Electric Vehicles[J]IEEE Trans.Emerg.Sel.Topics Power Electron,2015,3(1),50
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64.首次提出了感应式电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)系统的多目标优化设计流程，详细介绍了谐振补偿方法的选择、如何建立平面线圈参数化仿真模型等关键问题，并通过搭建一个5kW的IPT系统验证了设计方法的可行性。
[0005]文献[2]:Bosshard R and Kolar J W,Multi
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Objective Optimization of 50kW/85kHz IPT System for Public Transport[J].IEEE Journal of Emerging&Selected Topics in Power Electronics,2016,4(4),1370
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1382.实现了传输功率为50kW的电动汽车充电系统的原型设计，DC
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DC变换器的整体效率达到了95.8％。
[0006]文献[3]:Zhou H,Chen J,and Deng Q,Input
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Series Output
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Equivalent
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Parallel Multi
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Inverter System for High
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Voltage and High
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Power Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2021,36(1),228
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238.设计了一种用于IPT的输入串联输出等效并联多逆变器系统，该系统可实现输入侧均压和40kW的传输功率，但是系统效率只有89.31％。
[0007]上述文献的共同点是都采用平面线圈结构，这种线圈的特点是只有两个方向的自由度，并且需要考虑线圈错位以及低耦合系数对传输效率的影响。为了提高传输效率，平面线圈往往采用铁磁材料来引导磁场，但是不利于实现高重量功率密度。如果不使用任何磁性材料，平面线圈所能实现的效率又无法达到满意的效果。
[0008](二)、在圆柱形线圈方面，文献[4]:P.Czyz,T.Guillod,F.Krismer and J.W.Kolar,Exploration of the Design and Performance Space of a High Frequency166kW/10kV SiC Solid
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State Air
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Core Transformer[C]2018International Power Electronics Conference(IPEC
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Niigata 2018
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ECCE Asia),2018,396
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403.提出采用两个同轴圆柱形绕组来实现高频大功率系统的能量传输，这种结构的绕组不需要任何磁性材料引导磁场也能在166kW的传输功率下实现超过99％的效率。
[0009]文献[5]:P.Czyz,T.Guillod,and F.Krismer,Design and Experimental Analysis of 166kW Medium
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Voltage Medium
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Frequency Air
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Core Transformer for 1:1
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DCX Applications[J]in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2022,10(4),3541
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3560.和[6]T.Guillod,P.Czyz and J.W.Kolar,Geometrical Optimization of Medium
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Frequency Air
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Core Transformers for DCX Applications[J]in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2022,10(4),4319
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4335.针对不同结构的圆柱形绕组，通过多目标优化设计分别实现了高达16.5kW/kg和31kW/kg的重量功率密度，这超过了相同容量下MCT的两倍之多。但是，为了抑制漏磁场而设计的屏蔽罩却降低了ACT的体积功率密度。此外，ACT磁场复杂，难以用精确的解析模型进行近似，因此，目前关于ACT的优化设计几乎都要借助有限元工具完成。

技术实现思路

[0010]为了进一步探索大功率高频磁谐振ACT的设计方法和性能空间，本专利技术针对两组同轴圆柱形绕组的交叉方式、Litz线高频损耗计算、建模和仿真、冷却和绝缘设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：采用两组完全相同的多层式同轴圆柱形线圈构成的空心变压器ACT，确定最佳的绕组连接方式、以及两组线圈电流的相对流向；步骤2：以空气作为绝缘介质，计算原、副边之间的隔离距离，并在两组线圈、以及层与层之间放置NOMEX纸；步骤3：确定空心变压器ACT设计参数，基于电磁参数缩放规律和有限元参数化扫描方法，将模型的每层绕组均设置为单匝，电流设置为1A，能够提取不同结构下归一化为单匝绕组的电磁参数；步骤4：根据步骤3电磁参数提取和缩放结果，计算所有空心变压器ACT的系统参数；步骤5：计算Litz线高频损耗；步骤6：从频率、损耗和散热三个方面，对获得的所有设计结果进行优化,并根据Parato多目标优化设计结果选择合适的空心变压器ACT结构。2.根据权利要求1所述大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，其特征在于：还包括步骤7：针对步骤6的ACT绕组结构的优化设计结果，采用正交实验法设计屏蔽罩。3.根据权利要求1所述大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，其特征在于：所述步骤1中，空心变压器ACT的原、副边绕组由两个完全相同的同轴圆柱形线圈连接而成，原边和副边绕组匝数相同：n1＝n2，且各包含4层绕组；采用完全交叉换位的绕组连接方式，两组同轴线圈中的原边电流相对流向相反。4.根据权利要求1所述大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，其特征在于：所述步骤2中，空心变压器ACT工作于CLLC谐振变换器中，CLLC谐振变换器两端与直流母线相连，空心变压器ACT原、副边绕组之间的耐受电压计算式为V
iso
＝2V
h
(1+10％)；在采用空气作为绝缘介质的情况下，原、副边的隔离距离能够依据下式计算：其中，q为安全系数，0<q<1；在两组线圈之间以及原副边绕组之间放置NOMEX纸来提高绝缘层的耐压能力。5.根据权利要求1所述大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，其特征在于：所述步骤3中，将绕组内半径r1、绕组高度h、绕组宽度d
w
、匝数n
1,2
和频率f作为设计变量；采用单个同轴线圈的2D旋转对称模型进行参数化仿真计算。6.根据权利要求5所述大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，其特征在于：上述仿真模型的电磁参数遵循缩放规律：当保持ACT结构参数r1、h、d
w
和d
iso
不变，将ACT的原副边绕组匝数和原副边电流同时扩大k1倍和k2倍，则ACT的原副边绕组自感和外部磁场强度分别扩大k
12
倍和k1k2倍，耦合系数保持不变；将每层绕组均设置为单匝，电流设置为1A，能够提取各结构下归一化为单匝绕组的电磁参数，电磁参数包括自感L1和L2、外部磁场强度H
ext
和耦合系数k。7.根据权利要求1所述大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方法，其特征在于：所述步骤4中，系统参数包括自感L1、L2，外部磁场强度H
ext
，耦合系数k，互感L
m
，谐振频率f，谐振电容C
r2
、C
r2
，原副边电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彬，陶鑫，万妮娜，唐波，袁发庭，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：