DAB变换器中纳米晶高频变压器的设计与研究.pdfVIP

中文摘要 摘 要 随着分布式电源与负荷接入直流配电网，替代传统变压器的大功率电力电子 变换器也应运而生。近年来，这类变换器引用最多的术语之一就是固态变压器 （Solid State Transformer, SST ），是一种将电力电子变换技术和高频电能变换技术 相结合的新型变压器技术。高频变压器是固态变压器的关键元件，通过对高频变 压器的设计，固态变压器的主要要求，高功率密度、高效率、电压转换和隔离要 求在很大程度上可以得到满足。 本文基于双向有源桥（bidirectional dual-active-bridge, DAB ）隔离DC-DC 变 换器拓扑，对纳米晶磁芯材料进行研究，提出了一种高频变压器的设计和优化方 法，完成了纳米晶高频变压器的设计，并对整个DAB 变换器的效率进行了评估。 本文的主要工作如下： 归纳了磁芯损耗的不同计算方法，并对非正弦激励下的基于Steinmetz 方程的 磁芯损耗模型进行了修正，通过搭建的ANSYS MAXWELL 有限元仿真模型，验 证了高频工况下磁芯损耗模型的准确性与适用性。 提出了一种新的高频变压器的设计与优化方法；并按照这种设计方法，进行 了自由参数扫描的优化过程，绘制了功率密度-效率的帕累托前沿曲线；最后，按 照最优方案设计出了一台高效、高功率密度的纳米晶高频变压器，搭建了两台磁 芯形状不同的纳米晶高频变压器，通过实验测试，验证了优化设计方法的有效性。 对应用纳米晶高频变压器的DAB 变换器整机进行了损耗分析。计算了带载情 况下的DAB 理论损耗，并搭建实验样机进行了测试，结果表明，变换器的效率是 随负载功率的增大而先增大后减小的，并且在 1.5kW 时可达到97.2%的工作效率。 然后考虑了频率变化的DAB 变换器的综合优化问题。 系统性研究了DAB 变换器的直流偏磁现象。通过给高频变压器一次侧电流施 加直流分量研究直流偏磁现象，分析了其对变压器损耗的影响。提出了一种新的 检测方法来检测直流分量，并通过实验证明，DAB 变换器确实存在直流偏磁现象， 检测方法可以准确地检测到DAB 变换器的直流偏磁。在检测到直流偏磁之后，设 计了一个独立比例积分（PI ）控制来消除直流偏磁，并通过实验消除了励磁电流中 的直流分量，验证了该控制方法的有效性。 关键词：纳米晶；高频变压器；优化设计；直流偏磁 I 英文摘要 Abstract With the distributed power supply and load connected to the DC distribution grid, high-power power electronic converters which can potentially replace traditional low-frequency transformers have become the research hotspot. In recent years, one of the most cited terms of these converters is the solid state transformers (SST), which is a new transformer technology that combines power electronic conversion technology with high frequency power conversion technology. High-frequency power transformers are considered as the key element of SSTs The main requirements of SSTs, i.e., high power density, high efficiency, voltage adaptation and isolation