一种36 kVA高频变压器的建模仿真与优化

在直流输电、光伏发电、电力机车牵引等领域中，电力电子技术都是重要的支撑，而高频变压器是电力电子设备中的关键部分。近年来随着纳米晶体材料应用于高频变压器磁芯，变压器的性能取得了长足的提升。但是功率比较大的高频变压器在减小寄生参数、提升功率密度等方面的设计上仍存在比较多的难题。本文利用纳米晶体作为磁芯，基于一台36 kVA的10 kHz变压器对其进行建模分析研究，并对于总损耗和寄生参数进行了算法优化。最后应用计算机仿真检验了优化的可行性和有效性，对比得出最优的设计参数。

随着电力电子技术的不断发展，高频开关电源、DC/DC 变换器以及电力电子变压器(PET)等电力电子设备成为关注的热点[1] [2]，在直流输电、光伏发电、电力机车牵引等领域应用前景广阔[3] [4]。高频变压器是它们的关键组成部分，直接影响了设备的性能。高频变压器拥有效率高、体积小、重量轻等优点，对于实现电子设备的小型化和高效化有着重要的实际意义[4]。但高频变压器相比于小功率变压器在设计上也存在更多的问题。在高频的工作状态下，变压器的漏感和寄生电容在高频下会引发暂态过程， 破坏波形的稳定[5]；集肤效应和邻近效应对于导体电阻产生不可忽视的影响[6]；磁芯损耗需要更加复杂的模型来描述[7]。所以高频变压器的理论分析与优化设计对于电力电子设备的发展十分重要。

本文以一台工作频率为10 kHz、额定功率为36 kVA 的高频变压器为建模对象。基于高频方波激励下最大磁通密度选择方法， 对磁芯损耗和绕组损耗的模型， 漏感和寄生电容的影响及其理论分析进行了研究， 建立了高频变压器的数学模型。运用乘子法分别进行高频变压器漏感和总损耗的优化。建立高频变压器的仿真模型，进行仿真计算，对比初步设计和优化后变压器的仿真结果，验证优化算法的可行性和有效性。

2. 高频变压器的建模 由于高频变压器广泛的应用于电力电子系统中，所以它的模型对于在相关电力电子系统的模拟分析和数值仿真时也具有重要的意义。本文选择用新兴的纳米晶体磁芯进行高频变压器的建模与设计，其电气参数如表1 所示。

Table 1. High frequency transformer parameters 表1. 高频变压器参数 参量 数值 额定功率P 36 kVA 工作频率f 10 kHz 一次侧电压U1 900 V 二次侧电压U2 300 V 效率η ≥99% 电压调整率ΔU ≤1% 激励方式 方波激励(波形系数Kf = 4)