一种考虑高频涡流效应的高频变压器寄生参数调控方法

本发明涉及高频变压器设计领域，特别涉及一种考虑高频涡流效应的高频变压器寄生参数调控方法。

背景技术：

1、采用交叉换位技术(初次级的层或线匝交叠布置)可以削弱邻近效应，减小磁性元件内的漏磁场强度和交流电阻值，进而减小漏电感和绕组损耗，但同时会改变绕组间相对位置与正对面积，影响变压器内寄生电容参数分布与大小。寄生电容参数与漏电感参数共同作用会产生高频振荡，对高频变压器的阻抗特性产生显著影响，严重威胁电力电子电路的正常运行。因此，准确调控高频变压器中的寄生参数对于变压器整体设计工作而言至关重要。

2、在现有技术中的高频变压器寄生参数调控方法，通常只考虑了漏电感、寄生电容中的一种寄生参数，而绕组结构、几何形状、绕制方法和排布方式对这两者的影响具有时空同步性，漏电感数值减小时寄生电容数值增大，反之亦然。目前，国内外学者已经针对高频变压器寄生参数提取和调控的方法开展了大量的研究，如：

3、(1)、文献[1]：cogitore b，keradec j p，barbaroux j.the two-windingtransformer：an experimental method to obtain a wide frequency rangeequivalent circuit[j].ieee transactions on instrumentation and measurement，1994，43(2)：364-371.通过高频变压器端口开短路阻抗特性曲线提取宽频等效电路中的漏电感、电容等寄生参数，避免了复杂的电磁场计算，但是无法反映寄生参数与变压器内部结构之间的联系。

4、(2)、文献[2]：杨慧娜，柏树青.高频变压器不同绕组结构对分布电容的影响[j].华北电力大学学报(自然科学版)，2014，41(04)：48-55.详细分析了应用于反激变换器的高频变压器绕组结构对寄生电容的影响，但是忽略了漏电感参数。

5、(3)、文献[3]：ouyang z，zhang j，hurley w g.calculation of leakageinductance for high frequency transformers[j].ieee transactions on powerelectronics，2015，30(10)：5769-5775.针对高频变压器在不同绕组排布方式下的漏电感和交流电阻给出了解析计算公式，并详细分析了交叉换位、高频涡流效应对漏电感和绕组损耗的影响规律，但是忽略了寄生电容参数。

6、(4)、文献[4]：陈彬，李琳，赵志斌.一种考虑频变特性的大容量高频变压器漏电感解析计算方法[j].中国电机工程学报，2017，37(13)：3928-3937.推导出了一种计及漏电感频变特性的解析计算公式，并考虑了铁心拐角处绕组圆弧区域对漏磁能量的影响，但是对于变压器设计阶段的漏电感参数调控来说，计算过程比较复杂。

7、(5)、文献[5]：kane m m，kulkarni s v.mtl-based analysis to distinguishhigh-frequency behavior of interleaved windings in power transformers[j].ieeetransactions on power delivery，2013，28(4)：2291-2299.利用多导体传输线方法提出了高频变压器绕组单位长度寄生参数计算方法，可以精确地分析绕组的高频行为，但是电路元件数量过多不适用于高频变压器寄生参数的调控。

技术实现思路

1、针对高频变压器寄生参数的调控，本发明提供一种综合考虑高频涡流效应的高频变压器漏电感参数与寄生电容参数的调控方法，该方法考虑绕组结构、几何形状、绕制方法和排布方式对寄生电容参数大小的影响，给出绕组各端子间寄生电容的计算方式；然后在ansys/maxwell电磁场仿真软件中建立相应的变压器模型提取漏电感参数，提高了计算精度。

2、本发明采取的技术方案为：

3、一种考虑高频涡流效应的高频变压器寄生参数调控方法，包括以下步骤：

4、步骤1：确定高频变压器绕组结构和几何形状(如圆导体、矩形导体、利兹线等)等参数，根据平行板电容器模型计算得到绕组相邻层间静态电容；

5、步骤2：确定绕组绕制方法(标准式绕法、反激式绕法等)，根据绕组层间能量等效原理计算得到绕组相邻层间等效寄生电容；

6、步骤3：确定绕组排布方式以及初绕组层数np、次级绕组层数ns，根据能量等效原理计算得到绕组各端子之间的寄生电容，若寄生电容大小满足高频变压器参数设计需要，则进行下一步，否则重复步骤1～步骤3；

7、步骤4：根据绕组结构、几何形状、绕组绕制方法和绕组排布方式，建立高频变压器的漏电感计算模型，提取漏电感参数；

8、步骤5：若漏电感大小不能满足高频变压器参数设计需要，则重复步骤1～步骤4；若漏电感大小能满足高频变压器参数设计需要，则计算结束；

9、通过上述步骤，实现高频变压器寄生参数调控。

10、所述步骤1中，高频变压器参数包括：导体半径r0、层间绝缘距离h、导体绝缘层厚度δ、导体匝间距离dtt、两层绕组平均匝长lc、绕组高度ld、层间等效绝缘距离deff。

11、所述步骤1中，绕组相邻层间静态电容计算表达式如下：

12、

13、式中：ε0和ε1分别为真空介电常数和层间介质等效相对介电常数；lc为两层绕组平均匝长；ld为绕组高度；deff为层间等效绝缘距离。

14、所述步骤2中，绕组相邻层间等效寄生电容计算表达式如下：

15、cl1＝c0/3

16、cl1为标准式绕法下绕组相邻层间等效寄生电容；

17、cl2＝c0/4

18、cl2为反激式绕法下绕组相邻层间等效寄生电容。

19、所述步骤3中，绕组排布方式包括：无交叉换位、部分交叉换位和完全交叉换位等绕组排布方式；

20、绕组各端子之间的寄生电容计算表达式如下：

21、

22、式中：n1和n2分别为初、次级绕组的相邻层数量；n3为不同绕组相邻层数量；c1k～c6k为不同绕组第k个相邻层间的6个电容转换为端子连接处的电容；k表示第k个不同绕组相邻层的编号；ct1表示a和b两个端子之间的电容；ct2表示c和d两个端子之间的电容；ct3表示b和d两个端子之间的电容；ct4表示a和c两个端子之间的电容；ct5表示b和c两个端子之间的电容；ct6表示a和d两个端子之间的电容，端子编号如图6所示；cp′pi和cs′si分别为初、次级绕组的第i个层间等效电容转换为端子连接处的电容。

23、所述步骤3中，根据电容在高频变压器运行中的作用，如果需要与电感发生谐振，以获得高效率，需要根据谐振计算公式确定寄生电容大小，寄生电容大小需要满足高频变压器设计需要。

24、

25、式中：cr1为原边侧所需谐振电容；lσ1为原边侧所需谐振漏电感；cr2为副边侧所需谐振电容；lσ2为副边侧所需谐振漏电感。

26、所述步骤4中，基于磁场能量法，根据绕组结构、几何形状、绕制方法和排布方式建立高频变压器的计算模型。基于能量法以及导体区域的线性漏磁场强度，得到漏电感计算模型为：

27、

28、式中：mlt12、mlt1和mlt2分别为原副边绕组间、原边绕组和副边绕组的平均匝长；△12为原副边绕组的隔离间距；d1和d2分别为原副边绕组的厚度；μ为磁导率；m1为原边绕组层数；h为绕组高度。

29、所述步骤5中，若漏电感大小不能满足高频变压器参数设计需要，则重复步骤1～步骤4；若漏电感大小能满足高频变压器参数设计需要，则计算结束。

30、本发明一种考虑高频涡流效应的高频变压器寄生参数调控方法，技术效果如下：

31、该方法能应用于高频变压器寄生参数的精确评估，将漏电感、寄生电容参数大小控制在合理的范围之内，降低了优化设计所需要的计算量和计算时间，方便快捷，对高频变压器工作电路接入串联电感和谐振电容带来依据，进一步提高设备稳定性，有利于工程应用