(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211201322.3 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 三峡大学 地址 443002 湖北省宜昌市西陵区大 学路8 号 (72)发明人 陈彬　陶鑫　万妮娜　唐波　 袁发庭　 (74)专利代理 机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 专利代理师 吴思高 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/06(2020.01) (54)发明名称 大功率高频磁谐振空心变压器优化设计方 法 (57)摘要 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N OMEX； 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Lit z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A CT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。 权利要求书3页 说明书12页 附图6页 CN 115481555 A 2022.12.16 CN 115481555 A 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NOM EX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 Viso＝2Vh(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dw、 匝数n1,2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、 dw和diso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k12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Hext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Hext， 耦合系数k， 互感Lm， 谐振频率f， 谐振 电容Cr2、 Cr2， 原副边电流 i1、 i2；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115481555 A 2根据电磁参数缩放规律， 得到不同匝数下ACT的自感L1和L2、 外部磁场强度Hext和耦合系 数k； 互感Lm计算式如下： 谐振频率f计算式如下： 式中： P为CLLC变换器的额定功率； V1,dc和V2,dc分别为变换器两端连接的直流母线额定 电压； Lm为原副边绕组的互感； 谐振电容Cr2和Cr2计算式如下： 其中， Lσ 1和Lσ 2分别为ACT原、 副边的漏电感。 8.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5中， L itz线的股线数量 n计算式为： 式中： S为Lit z线有效导电截 面积； s为单股导线的截面积； dy为单匝导线的高度， 计算式 为dy＝h/(n1/4)； n1为原边或副边绕组的匝数； kLitz为Litz线的填充率； ds为单股导线的直 径， dw为绕组宽度； 在集肤效应影响下， 单位长度内L itz的铜损耗可由下式计算： 式中： Rdc是单股Litz线单位长度的直流电阻； I为流过Litz线的电流峰值， 电流可根据 ACT的T型等效电路计算； FR是集肤效应因子， 表达式为： 式中： γ为圆形导体的归一化厚度， 表达式为 ds为单股Litz线的直径； δ为集 肤深度； ber0、 ber1、 bei1分别表示第一类零阶贝塞尔函数的实部、 第一类一阶贝塞尔函数的 实部、 第一类一阶贝 塞尔函数的虚部； Litz线单位长度内的内部和外 部邻近效应损耗计算式为: 式中： da为Litz线直径； Hext为外部磁场强度； 外部磁场强度可根据电磁参数缩 放规律进 行计算； GR为邻近效应因子， 表达式为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115481555 A 3