高频高压大功率变压器优化设计与实现

摘要

变压器是现代电力电子设备的重要组成部分，其体积和重量在整体设备中占据很大的比重。随着电压、频率和功率等级的不断提升，变压器的优化设计显得非常重要。高频和大功率的特性，对变压器磁芯的各项性能提出了非常严格的要求，选择一种经济合适的磁芯材料尤为重要。在各类磁性元件中，变压器的设计是比较复杂和繁琐的。磁芯种类形状的多样性，损耗模型的复杂性，设计参数的庞大繁琐性，使得手动设计变压器变得困难而费时。传统变压器设计是根据经验计算，通过反复推算完成，这样并不能保证所设计的变压器体积最小、效率最优，而且非常耗时，所以急需探索一种高效实用的高频高压大功率变压器设计方法。 本文针对高频高压大功率变压器进行优化设计，分别从磁芯材料、设计方法和结构创新三个方面进行深入研究。首先对目前存在的高频高压变压器磁芯材料进行分析比较，从特性上证明了铁基非晶磁芯材料在中高频(10kHz-20kHz)大功率变压器中使用的可行性。其次对传统高频高压变压器设计方法进行分析，提出了一种基于后决策多目标遗传算法的铁基非晶高频高压变压器优化设计方法，以变压器的工作频率f、工作磁感应强度Bm和电流密度J为设计变量，温升与效率为约束条件，对变压器体积、损耗进行优化设计。该设计方法能在短时内得到大量满足要求的设计结果，解决了传统变压器设计反复，推算时间长和无法达到多目标最优的问题。同时提供给设计者一系列符合要求的优化变压器，而不是单一解决方案，设计者可以根据应用需求选择最佳的变压器。 为了验证本文所提出的高频高压变压器优化设计方法的实用性，本文根据算法设计结果，绕制了一台输入电压230V，输出电压1.5kV，额定频率15kHz，额定容量2.5kVA，效率大于98%的高频高压变压器样机。采用有限元分析软件COMSOL对优化设计后的铁基非晶高频高压变压器进行仿真计算，搭建串联谐振型电容器充电电路对变压器进行相关实验测试，仿真和实验结果均验证了该优化设计方法的有效性和可行性。 最后，针对传统绕线式高频高压变压器存在的分布参数的问题，本文对变压器绕组结构进行优化，提出一种新型结构的高频高压平面变压器。将新型平面变压器与传统绕线式变压器分布参数进行比较，实验结果表明新型变压器分布参数更小，验证了该新型结构在减小变压器分布参数上的优越性。

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