[发明专利]一种电力电子变压器设计方法

权利要求书

1.一种电力电子变压器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、建立包含谐振网络的电力电子变压器硬件拓扑模型；

(2)、对包含谐振网络的电力电子变压器基波分析建模并进行稳态分析，得到归一化后变压器的直流电压增益G_n；

(3)、分别推导变压器的谐振参数与变压器的直流电压增益、输入阻抗和变换效率的关系，其中，所述变压器的变换效率由谐振电流、激励电流和副边二极管电流决定；

(4)、采用智能鸟群搜索算法以谐振电流、激励电流和副边二极管电流的有效值为目标，对谐振参数f_r、f_m取值进行优化，针对变压器效率得到优选值；

所述步骤(2)中对包含谐振网络的电力电子变压器基波分析建模并进行稳态分析，具体包括：

首先对谐振网络进行基波分析建模，变压器直流电压增益G的具体表达式为：

其中，品质因数为R_eq为变压器副边的等效输入阻抗，R_ac为变压器原边的等效纯阻性负载，其中V_o、I_o、P_o分别表示负载上的直流电压、电流及功率；特性阻抗电感比f_r为谐振频率，f_m为并联谐振频率，归一化开关频率f_s为开关频率，n为匝数；

对谐振网络进行稳态分析，首先定义变压器的归一化直流电压增益G_n为：

G_n＝2n·G (2)

其中G为变压器的直流电压增益，将式(1)代入式(2)可得变压器的归一化直流电压增益G_n：

所述步骤(3)中进行推导变压器的谐振参数与变压器的直流电压增益、输入阻抗和变换效率的关系，首先推导谐振参数对变压器直流电压增益的关系，将公式(3)中的K和Q改为用L_m、L_r和C_r表示，其中L_r和C_r满足下式：

利用公式(4)，将归一化直流电压增益表达式中的谐振参数转化为只包含L_m和L_r，即公式(5)：

采用基波分析建模，推导谐振参数与电子变压器输入阻抗的关系，得到谐振网络输入阻抗Z_in为：

公式(6)中的R_eq为变压器副边的等效输入阻抗，R_ac为变压器原边的等效纯阻性负载，其中V_o、I_o、P_o分别表示负载上的直流电压、电流及功率；

对上式(6)输入阻抗采用归一化处理后，可得到输入阻抗Z_in的实部与虚部如下：

实部:

虚部:

为确保谐振网络的输入阻抗始终为感性，得到输入阻抗角θ应满足式(9)：

式中I_m为输入阻抗归一化的虚部，也就是式(7)，R_e为输入阻抗归一化的实部，也就是式(8)；

推导谐振参数对变压器的效率影响的过程如下，变压器的励磁电流是一个三角波：

式(10)中T_s是开关周期，对应于开关频率f_s，i_m(t)为励磁电流，对应于不同的开关周期T_s，其表达式不一样，N表示第N个开关周期；

励磁电流的峰值为：

励磁电流的有效值为：

式(11)、(12)中n表示电子变压器的匝比，V_o表示负载上的直流电压，L_m为励磁电感，f_r为谐振频率；

谐振槽电流i_r的表达式：由于谐振腔输入阻抗Z_in的阻抗角为I_{r_rms}为谐振槽电流i_r的有效值，f_s为开关频率；

在每个开关周期的起点都有i_r(0)＝i_{m_peak}，即：

变压器原边电流i₁为谐振槽电流i_r与励磁电流i_m之差，即i₁(t)＝i_r(t)-i_m(t)，由电荷守恒定律，0～T_s/2时间内有等式(14)成立：

联立等式(11)和(12)可以解得，谐振电流的有效值为：

则高频变压器原边电流的有效值为：

变压器副边电流的有效值为：