[发明专利]兼具高效率与强抗直流偏磁能力的高频超材料功率变压器

说明书

本发明提出了兼具高效率与强抗直流偏磁能力的高频超材料功率变压器，包括：开气隙变压器和超材料线圈；所述超材料线圈位于所述开气隙变压器的气隙中；所述超材料线圈用于改变所述开气隙变压器的回路；所述高频超材料功率变压器在不同频率下呈现不同的值。本发明所提出的高频超材料功率变压器可以显着抑制直流分量引起的偏压，这使得基于超材料的变压器具有磁化电流小、效率高、承受‑DC偏压能力强等优点。

技术领域

本发明属于电磁超材料技术领域，尤其涉及兼具高效率与强抗直流偏磁能力的高频超材料功率变压器。

背景技术

几十～百千赫兹变压器是广泛应用于开关电源和隔离DC/DC功率转换器系统的关键器件，特别适用于新能源电能变换邻域的双有源桥隔离变压器，其主要作用是隔离初级和次级电路。几十～百kHz级变压器的主要优点是体积小、磁滞损耗低、效率高和重量轻，然而变压器的直流偏置问题严重限制了隔离转换器的性能。根据变压器初级侧的激励电压波形不同，新能源应用电路的隔离式变流器主要分为带方波励磁变压器的双有源桥变流器和带正弦波的矩阵AC-DC/AC-AC变流器。在正弦波和方波激励的应用中，直流偏置总是有不对称的输入电压产生，这是很难消除的。为了使变压器能够承受直流偏磁不饱和，一般的设计中，采用的是开气隙磁芯结构，因为其磁阻高，对直流磁通偏压的敏感性较低。然而，高磁阻导致相对高的励磁电流电流、低效率和低功率因数。因此，如何在保持较低磁阻的同时提供强大的耐直流偏置能力是开发高效变压器的关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了兼具高效率与强抗直流偏磁能力的高频超材料功率变压器，将无源超材料安装在变压器的气隙中，不需要额外的控制策略、电力电子器件和不常见的材料。所提出的超材料可以看作是一种铜制的磁性带通滤波器，其中只有选定频率的磁通可以被增强。而对于磁通的直流分量和高次谐波，负磁阻则显示与空气相同的高磁阻。但对于选定频率的磁场，超材料可以展现出负等效磁阻。因此，可以显着抑制直流分量引起的偏压，这使得基于超材料的变压器具有磁化电流小、效率高、承受-DC偏压能力强等优点。

兼具高效率与强抗直流偏磁能力的高频超材料功率变压器，包括：

开气隙变压器和超材料线圈；

所述超材料线圈位于所述开气隙变压器的气隙中；所述超材料线圈用于改变所述开气隙变压器的回路；

所述高频超材料功率变压器在不同频率下呈现不同的值。

可选地，所述超材料线圈采用铜线缠绕的结构，所述超材料线圈的结构与所述开气隙变压器的气隙空间相适配。

可选地，所述高频超材料功率变压器在不同频率下呈现不同的值包括：

所述高频超材料功率变压器通过调整所述超材料线圈和补偿电容，将所述超材料线圈的电磁特性设计为在所述高频超材料功率变压器的工作频率下呈现负磁阻特性，而对直流分量与谐波呈现高磁阻特性。

可选地，在工作频率下，所述高频超材料功率变压器的磁阻低于所述开气隙变压器的磁阻。

可选地，所述高频超材料功率变压器的磁阻与磁导率需满足：

其中，R_m为磁阻，μ₀为真空磁导率，μ_rA为相对磁导率及变压器气隙面积，μA为磁导率与变压器气隙面积。

可选地，所述超材料线圈的磁路为：

其中，φ(ωt)为磁路的磁通；F(ωt)为磁路的磁动势；R_core，R_ma(ωt)与R_mb(ωt)分别为高频超材料功率变压器磁芯的磁阻与两个磁柱中超材料线圈的磁阻。

可选地，所述超材料线圈的磁动势为：