一种对称多绕组分离式平面变压器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种对称多绕组分离式平面变压器，包括两个磁芯、原边绕组、副边绕组和绝缘层，所述的绝缘层两端分别设有线槽，所述的原边绕组和副边绕组分别设于绝缘层两边的线槽内，两个所述的磁芯分别设于原边绕组和副边绕组远离绝缘层的一侧；还包括n个全桥逆变器、n个全桥整流器，所述的原边绕组和副边绕组均包括n个绕组。本发明专利技术的磁芯、绕组、绝缘层在结构上均是平面型，变压器原边与副边完全分离的结构，可以很容易地实现很高的电气绝缘水平，而不需要复杂的绝缘结构设计，而且可以通过改变中间绝缘层厚度来实现不同的绝缘要求。同时，紧凑的结构大大缩小了变压器的体积，提高变压器功率密度，实现有限空间下，对大功率变压器的需求。压器的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种对称多绕组分离式平面变压器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及平面变压器设计
，一种对称多绕组分离式平面变压器及其设计方法。

技术介绍

[0002]随着可再生能源、储能系统的高度普及，固态变压器被认为是未来智能配电网最有前途的技术。与传统的工频变压器相比，固态变压器可以提供更强的控制灵活性和即插即用能力，从而使交直流混合多端配电网的互联可靠性和灵活性得到提高。典型的三级固态变压器结构中，在隔离级的DC/DC变换器中，电隔离和输入输出电压匹配由中频变压器提供。中频变压器又是固态变压器中实现高效率、高功率密度和高绝缘的关键部件。中频变压器的关键设计挑战之一是有效地平衡多个相互竞争的目标，包括高效率、高功率密度、高电绝缘和优异的散热性能。变压器的结构设计对其电磁性能和励磁电感、漏感等参数影响很大，这需要仔细优化和改进各种设计参数。
[0003]目前现有的许多中频变压器结构和设计方法来提高中频变压器的性能。这些设计根据其绕组结构可分为不同的类别，即螺线管结构，同轴结构。
[0004]螺线管结构的中频变压器具有其灵活的变压比，简单的制造工艺和较低的成本等优点，但是其螺线管结构就决定了其体积较大。另外由于诸如绝缘要求和机械安装约束等因素，具有螺线管结构的中频变压器表现出相对较高的漏电感，导致功率损耗增加。此外，螺线管绕组结构中使用的磁芯通常需要非圆形形状，例如C形或E形磁芯。当在高频下操作时，由于切割或加工，在磁芯的边缘和拐角处发生磁场的显著变化，从而导致明显的边缘效应。这些边缘效应会给散热带来困难。
[0005]同轴结构的中频变压器可以实现极低的漏电感，并且可以利用圆形芯形状，从而导致更均匀的磁场分布和散热。还具备以下优点，高度可预测的电磁行为，将集成串联电感调整到期望值的能力，以及不存在与叠层铁芯堆叠正交的场。虽然多匝外绕组可用于同轴结构中，但端部连接可能变得更复杂。因此，在大多数设计中，铜管通常用于创建单匝低压绕组，而利兹线用于多匝中压绕组。然而，这种配置的匝数比限于n：1的比率，其中n表示整数。同时，中压绕组和低压绕组之间的绝缘问题不容易解决。
[0006]为了提高分离式平面变压器的功率，由于商业利兹线产品的限制，通常采用多根利兹线来构建多绕组结构。如何实现多绕组的对称布局，又是一个挑战。否则，多绕组布局上的不对称将导致参数不对称，进而导致多绕组上的电流不均流。同时，多个SiC
‑
MOSFET模块通常并联以实现高功率应用所需的电流容量。然而，电流均流对于功率转换器中的并联SiC MOSFET是至关重要的。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供了一种对称多绕组分离式平面变压器及其设计方法来解决现有技术中存在的应用于固态变压器中变压器体积大、绝缘性能差、设计复杂等的问题。
[0008]为达上述目的，本专利技术的技术方案为提供一种对称多绕组分离式平面变压器，其创新点在于：包括两个磁芯、原边绕组、副边绕组和绝缘层，所述的绝缘层两端分别设有线槽，所述的原边绕组和副边绕组分别设于绝缘层两边的线槽内，两个所述的磁芯分别设于原边绕组和副边绕组远离绝缘层的一侧；
[0009]还包括n个全桥逆变器、n个全桥整流器，所述的原边绕组和副边绕组均包括n个绕组，原边绕组和副边绕组的n个绕组分别按照阿基米德螺线的绕制方式，以360/n度角在XOY平面上均匀分布；原边绕组的n个绕组分别通过n个CLLC谐振网络连接n个全桥逆变器，副边绕组的n个绕组分别通过n个CLLC谐振网络连接n个全桥整流器。
[0010]进一步的，连接原边绕组和全桥逆变器的CLLC谐振网络包括原边谐振电容Cp
i
，连接副边绕组和全桥整流器的CLLC谐振网络包括副边谐振电容Cs
i
，i＝1,2,
…
,n。
[0011]进一步的，原边绕组的n个绕组的进线端与对应的全桥逆变器的其中一个桥臂中点相连，出线端分别经过对应的原边谐振电容Cp
i
与对应的全桥逆变器的另一桥臂中点相连；
[0012]副边绕组的n个绕组的进线端与对应的全桥整流器的其中一个桥臂中点相连，出线端分别经过对应的副边谐振电容Cs
i
与对应的全桥整流器的另一桥臂中点相连。
[0013]进一步的，所述的磁芯包括顶部磁芯、侧边磁芯和中间磁芯，所述的顶部磁芯和中间磁芯均为圆盘状，中间磁芯设于顶部磁芯靠近原边绕组或副边绕组的侧面中心，且大小和原边绕组或副边绕组中心形成的通孔适应；所述的侧边磁芯设于顶部磁芯的侧面外缘，由数块长方状的磁体形成，侧边磁芯和中间磁芯在顶部磁芯的同一侧面。
[0014]进一步的，所述的顶部磁芯上对应每个绕组的出线端的位置均设有气隙，即气隙以360/n度角在顶部磁芯上设置。
[0015]进一步的，原边绕组或副边绕组上的n个绕组的进线端和出线端均在同一直线上，相邻绕组之间的角度为360/n度。
[0016]进一步的，n个全桥逆变器之间为并联关系，n个全桥整流器之间为并联关系。
[0017]为达上述目的，本专利技术的技术方案还提供一种对称多绕组分离式平面变压器的设计方法，其创新点在于，包括以下步骤：
[0018](1)预设计：确定系统级的设计要求，确定额定功率Pout、输入DC电压Uin、开关频率fsw、绝缘要求Uins和最大温升Tmax的参数；
[0019](2)材料选择；基于预设计结果，计算初级侧电压Up、初级侧电流Ip、次级侧电压Us和次级侧电流Is，确定利兹线的横截面积Aw，为了确保绞合线之间的绝缘，在两个相邻绞合线之间引入匝间距dt；同时，选择磁芯材料，获得其饱和磁通密度Bsat和功率损耗密度Pld；选择了绝缘材料，并获取其介电强度Eins；
[0020](3)优化设计：磁芯的几何参数、内径与外径的比值r/R、绝缘层的厚度D、初级侧Np和次级侧Ns上的匝数为自由参数；对于上述参数的每一个组合，进行综合评价，包括绝缘评价，效率评价，热评价和功率密度评价，程序在获得最佳结果后结束；
[0021](4)保存设计。
[0022]和现有技术相比，本专利技术产生的有益效果为：
[0023]1.磁芯、绕组、绝缘层在结构上均是平面型，变压器原边与副边完全分离的结构，可以很容易地实现很高的电气绝缘水平，而不需要复杂的绝缘结构设计，而且可以通过改
变中间绝缘层厚度来实现不同的绝缘要求。同时，紧凑的结构大大缩小了变压器的体积，提高变压器功率密度，实现有限空间下，对大功率变压器的需求。
[0024]2.原边和副边的n个绕组均按照阿基米德螺线的方式绕制，n个绕组的进线端和出线端均在同一直线上，顶部磁芯上对应每个绕组的出线端的位置均设有气隙，相邻绕组、相邻气隙之间的角度均为360/n度，实现绕组和磁芯完全对称式均匀分布，实现变压器磁场和电场的均匀分布，散热性能良好，降低损耗、提高效率；实现结构上的完全对称为变压器性能的提升提供极其有利的条件。
[0025]3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对称多绕组分离式平面变压器，其特征在于：包括两个磁芯、原边绕组、副边绕组和绝缘层，所述的绝缘层两端分别设有线槽，所述的原边绕组和副边绕组分别设于绝缘层两边的线槽内，两个所述的磁芯分别设于原边绕组和副边绕组远离绝缘层的一侧；还包括n个全桥逆变器、n个全桥整流器，所述的原边绕组和副边绕组均包括n个绕组，原边绕组和副边绕组的n个绕组分别按照阿基米德螺线的绕制方式，以360/n度角在XOY平面上均匀分布；原边绕组的n个绕组分别通过n个CLLC谐振网络连接n个全桥逆变器，副边绕组的n个绕组分别通过n个CLLC谐振网络连接n个全桥整流器。2.根据权利要求1所述的一种对称多绕组分离式平面变压器，其特征在于：连接原边绕组和全桥逆变器的CLLC谐振网络包括原边谐振电容Cp
i
，连接副边绕组和全桥整流器的CLLC谐振网络包括副边谐振电容Cs
i
，i＝1,2,
…
,n。3.根据权利要求2所述的一种对称多绕组分离式平面变压器，其特征在于：原边绕组的n个绕组的进线端与对应的全桥逆变器的其中一个桥臂中点相连，出线端分别经过对应的原边谐振电容Cp
i
与对应的全桥逆变器的另一桥臂中点相连；副边绕组的n个绕组的进线端与对应的全桥整流器的其中一个桥臂中点相连，出线端分别经过对应的副边谐振电容Cs
i
与对应的全桥整流器的另一桥臂中点相连。4.根据权利要求1或3所述的一种对称多绕组分离式平面变压器，其特征在于：所述的磁芯包括顶部磁芯、侧边磁芯和中间磁芯，所述的顶部磁芯和中间磁芯均为圆盘状，中间磁芯设于顶部磁芯靠近原边绕组或...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁思兆，许爽，李通，邓建，李思奇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：