[发明专利]一种固体绝缘磁集成高频变压器及其屏蔽环设计方法

说明书

本发明提供一种用于固体绝缘磁集成高频变压器及其屏蔽环设计方法，包括：确定变压器的基本结构；在仿真软件中构建不含屏蔽环的变压器模型，确定满足绝缘要求的固体材料填充范围；选择绝缘介质与铁芯相邻的两个表面上添加屏蔽环，以屏蔽环体积最小为设计目标，选取满足耐压标准下的所述屏蔽环尺寸参数；结合谐振电路对磁集成高频变压器漏感的需求，修改屏蔽环尺寸，使其同时满足绝缘和漏感的要求。本发明通过设计屏蔽环解决了固体绝缘变压器中铁芯棱角附近由尖端效应带来的空气击穿问题，增大了变压器漏感以满足LLC谐振电路中谐振漏电感的需求，同时有效提高了变压器的散热能力，减小了变压器外形尺寸，提高了功率密度。

技术领域

本发明涉及变压器绝缘设计领域，具体地，涉及一种能够改善绝缘结构的固体绝缘磁集成高频变压器及其屏蔽环设计方法。

背景技术

采用磁集成技术的固体绝缘高频变压器作为DC-DC变换电路的核心器件，由于具有功率密度高，效率高的优势，并能与谐振软开关技术相结合，因此广泛应用于新能源并网电路中。但随着开关频率的逐步提升，变压器的体积也在逐渐缩小，由于高压尖端效应的影响，铁芯棱角附近电场会有击穿空气的风险；而高压工作环境使固体绝缘设计难以兼顾耐压和散热的要求，需要对其进行特殊处理。

现有技术通常是增大绝缘介质的填充范围，这样做一方面可以增大绕组线圈与铁芯棱角的距离，降低铁芯棱角附近电场强度大小，另一方面可以用绝缘材料填充铁芯棱角周围空间，降低了空气被击穿的风险，但缺点是增大了变压器的体积，降低了功率密度，并且在上百千伏的高电压等级时仍然需要利用变压器油进行绝缘设计，使变压器更加笨重庞大，结构复杂；也有采用屏蔽环的设计方式，但都放置在绝缘材料中紧邻绕组线圈的位置，不仅散热困难，而且没有考虑裸露在空气中的铁芯棱角周围尖端效应的影响，应用在结构紧凑且电压等级高的固态变压器中不能起到良好的屏蔽效果。

经检索，中国发明专利CN200710103027.3公开了一种具有屏蔽环的高压变压器、屏蔽环及屏蔽环的制造方法，但是并没有给出具体屏蔽环的设计方法。另外，中国发明专利CN202010536188.7公开一种千兆级网络汇流环的屏蔽设计方法，但是该专利中设计方法无法适用于固体绝缘高频变压器的屏蔽环设计。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种用于固体绝缘磁集成高频变压器及其设计方法。

本发明的第一目的，提供一种固体绝缘磁集成高频变压器的屏蔽环设计方法，包括：

S1,结合变压器的具体工作环境，确定变压器的基本结构；

S2,在仿真软件中搭建上述S1确定的所述变压器模型，铁芯接地，在无屏蔽环的情况下考察绝缘材料内部的耐压能力，确定满足绝缘要求的固体材料填充范围；

S3,在S2得到的所述变压器模型的绝缘介质与铁芯相交的外表面上添加屏蔽环，所述屏蔽环能在提供静电屏蔽的同时提高散热能力，再依次将所述屏蔽环的长、宽、圆角半径和厚度作为单一变量，观察由所述变压器模型和所述屏蔽环构成的仿真模型中变压器周围空气的场强分布情况，确定不同变量对所述变压器周围空气最大电场强度的影响程度，并以所述屏蔽环体积最小为设计目标，选取满足耐压标准下的所述屏蔽环尺寸参数；

S4,在S3得到的满足耐压要求的屏蔽环结构基础上，根据谐振电路对磁集成变压器的漏感需求，仿真观察不同参数对变压器漏感大小的影响，并根据仿真情况对所述屏蔽环的参数进行修改，获得满足耐压和漏感要求的屏蔽环结构。

可选地，S2中，所述在无屏蔽环的情况下考察绝缘材料内部的耐压能力，其中，对变压器绕组施加满足国家耐压标准要求的最高电压，观察绝缘介质内的电场强度分布情况，并确定满足绝缘要求的固体材料填充范围。

可选地，所述符合耐压标准要求的最高电压是指根据国家标准规定的不同电压等级下变压器承受的额定短时工频电压峰值，并以直流电压的形式施加在变压器绕组与铁芯之间，据此观察变压器内部及周围空间中的电场强度分布情况。