用于绕组紧密排列高频变压器的二维漏感模型构建方法及系统

本发明涉及高频变压器，尤其是指一种用于绕组紧密排列高频变压器的二维漏感模型构建方法及系统。

背景技术：

1、高频变压器是电力电子电路中核心且应用最为广泛的电磁元件，其性能参数直接决定电力电子设备的整体工作性能。随着电力电子技术向高功率密度、高效率、小型化方向快速发展，高频变压器的设计精度要求持续提升。变压器的寄生参数是影响电力电子电路工作效率、稳定性及功率密度的关键因素，而漏感作为核心寄生参数之一，其计算精度在优化变压器设计中起到了一个至关重要的作用。

2、目前，行业内针对高频变压器漏感的计算方法主要分为两大类，分别为解析计算方法与数值计算方法。相较于数值计算方法，解析计算方法凭借计算流程简便、运算速度快、适配工程迭代设计的突出优势，成为现阶段高频变压器设计领域的主流计算方式，被广大工程设计人员广泛采用。

3、现有技术中，高频变压器漏感的主流解析计算模型主要包括一维高频变压器漏感解析计算模型，以及基于镜像法构建的二维漏感解析计算模型，两类模型为高频变压器漏感的工程计算提供了基础支撑，但在实际应用中均存在无法规避的技术问题，难以兼顾计算精度与计算效率的核心需求。其中，传统一维漏感解析计算模型仅对变压器磁场进行一维简化分析，模型简化程度高，无法完整表征高频变压器的三维立体结构特性与实际磁场分布规律，存在固有计算精度偏低的问题，计算结果与变压器实际工作漏感参数偏差较大，无法满足高精度变压器的设计优化需求。基于镜像法的二维漏感解析计算模型虽突破了一维模型的局限性，考虑了变压器二维磁场分布特征，一定程度上提升了漏感计算的贴合度，但该模型存在技术短板。一方面，该模型计算逻辑复杂、参数求解流程繁琐，大幅增加了计算复杂度，导致计算速度大幅降低，丧失了解析算法高效运算的核心优势，难以适配工程快速迭代设计的场景；另一方面，现有基于镜像法的二维漏感模型在适配频率变化工况时，普遍采用单一引入频率因子的修正方式实现频率特性拟合，该修正方式贴合性差、适配性有限，无法精准表征不同工作频率下变压器漏感的动态变化规律，最终导致频率工况变化时的漏感计算精度大幅受限，严重制约了高频变压器在宽频工况下的设计精度与性能优化效果。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中计算复杂度高、运算速度慢，且传统频率修正方式适配性差、宽频工况下漏感计算精度不足，无法同时兼顾计算效率、计算精度与宽频适配性能的问题。

2、第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于绕组紧密排列高频变压器的二维漏感模型构建方法，包括：

3、s1、高频变压器包括原边绕组；根据所述原边绕组的孔隙率参数和麦克斯韦方程，构建电场强度与磁场强度满足的第一关系式；根据所述第一关系式和所述磁场强度的磁场强度分量关系式，构建磁场强度分量与电场强度分量的第一强度分量关系式；

4、s2、根据所述麦克斯韦方程和所述高频变压器的供电角频率，得到所述电场强度与所述磁场强度满足的第二关系式；根据所述第二关系式和所述电场强度的电场强度分量关系式，构建磁场强度分量与电场强度分量的第二强度分量关系式；

5、s3、根据所述第二强度分量关系式和所述第一强度分量关系式，构建电场强度表达式；根据所述电场强度表达式和所述第二强度分量关系式，构建二维磁场强度数学模型；

6、s4、根据所述二维磁场强度数学模型与所述原边绕组的绕组参数，构建绕组磁场能量模型；

7、s5、根据所述绕组磁场能量模型和所述原边绕组的输入电流，得到所述原边绕组的二维漏感模型。

8、在本发明的一个实施例中，所述s4中，根据所述二维磁场强度数学模型与所述原边绕组的绕组参数，构建绕组磁场能量模型的过程中包括：根据所述原边绕组中绝缘层所占体积，获取不同绕组结构下的绕组参数；若所述绝缘层所占体积小于阈值，则所述绕组参数包括平均匝长、绕组高度和绕组厚度；反之，所述绕组参数包括平均匝长、绕组高度、绕组厚度和绝缘层厚度。

9、在本发明的一个实施例中，若所述绝缘层所占体积小于阈值时，所述绕组磁场能量模型的表达式为：

10、；

11、若所述绝缘层所占体积不小于阈值时，所述绕组磁场能量模型的表达式为：

12、；

13、其中，表示绕组磁场能量，表示磁导率，表示平均匝长，表示绕组高度，和均表示绕组厚度，表示磁场强度矢量，表示绝缘层厚度，表示原边绕组的层数。

14、在本发明的一个实施例中，若所述绝缘层所占体积小于阈值时，所述二维漏感模型的表达式为：

15、；

16、其中，表示漏感值，表示原边绕组的输入电流，表示磁导率，表示平均匝长，表示绕组高度，表示绕组厚度，表示磁场强度矢量。

17、在本发明的一个实施例中，若所述绝缘层所占体积不小于阈值时，所述二维漏感模型的表达式为：

18、；

19、其中，表示漏感值，表示原边绕组的输入电流，表示磁导率，表示平均匝长，表示绕组高度，表示绕组厚度，表示磁场强度矢量，表示绝缘层厚度，表示原边绕组的层数。

20、在本发明的一个实施例中，所述电场强度与所述磁场强度满足的第一关系式为：

21、；

22、其中，表示哈密尔顿算子，表示磁场强度矢量，表示圆导线型绕组的孔隙率，表示圆导线绕组的电导率，表示电场强度矢量。

23、在本发明的一个实施例中，所述电场强度与所述磁场强度满足的第二关系式为：

24、；

25、其中，表示哈密尔顿算子，表示电场强度矢量，表示磁场强度矢量，表示虚部单位，表示磁导率，表示供电的角频率。

26、在本发明的一个实施例中，所述电场强度表达式为：

27、；

28、其中，表示电场强度在y轴方向的分量，表示虚部单位，表示供电的角频率，表示磁导率，表示圆导线绕组的电导率，表示圆导线型绕组的孔隙率。

29、在本发明的一个实施例中，所述第一强度分量关系式为：

30、；

31、其中，表示磁场强度在x轴分量，表示磁场强度在z轴分量，表示电场强度在y轴方向的分量，表示圆导线绕组的电导率，表示圆导线型绕组的孔隙率。

32、第二方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于绕组紧密排列高频变压器的二维漏感模型构建系统，用于实现上述的一种用于绕组紧密排列高频变压器的二维漏感模型构建方法，包括：

33、第一强度分量关系构建模块，用于高频变压器包括原边绕组；根据所述原边绕组的孔隙率参数和麦克斯韦方程，构建电场强度与磁场强度满足的第一关系式；根据所述第一关系式和所述磁场强度的磁场强度分量关系式，构建磁场强度分量与电场强度分量的第一强度分量关系式；

34、第二强度分量关系构建模块，用于根据所述麦克斯韦方程和所述高频变压器的供电角频率，得到所述电场强度与所述磁场强度满足的第二关系式；根据所述第二关系式和所述电场强度的电场强度分量关系式，构建磁场强度分量与电场强度分量的第二强度分量关系式；

35、磁场强度数学模型构建模块，用于根据所述第二强度分量关系式和所述第一强度分量关系式，构建电场强度表达式；根据所述电场强度表达式和所述第二强度分量关系式，构建二维磁场强度数学模型；

36、绕组磁场能量模型构建模块，用于根据所述二维磁场强度数学模型与所述原边绕组的绕组参数，构建绕组磁场能量模型；

37、漏感模型构建模块，用于根据所述绕组磁场能量模型和所述原边绕组的输入电流，构建所述原边绕组的二维漏感模型。

38、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

39、（1）本发明所述的一种用于绕组紧密排列高频变压器的二维漏感模型构建方法及系统，通过麦克斯韦方程完善电磁场分量耦合关系，完整表征高频下电磁场交互作用，避免高频场强计算失真；通过联立两组场强关系式解析求解二维磁场模型，无需大量镜像迭代运算，简化计算流程，兼顾推导严谨性与运算效率；利用二维磁场模型结合绕组参数建立磁场能量模型，避免了磁场能量近似估算带来的误差，为漏感求解提供可靠中间量。此外，本发明基于磁场能量得到二维漏感模型，以解析方法降低计算复杂度、缩短仿真时长，结合孔隙率、高频电磁特性与绕组真实参数，提升了模型工程贴合度。因此，本发明不依赖经验修正，兼顾建模新颖性、计算高精度与高效率，可精准快速完成高频变压器原边绕组漏感求解，有效提升器件电磁仿真与设计水平，工程实用性强。

40、（2）本发明建模推导过程中引入孔隙率参数，充分考虑绕组、磁芯结构孔隙对漏磁场分布的影响，还原真实电磁工况下的漏磁分布规律，双重维度消除建模偏差，相较于传统镜像法可获得更高的漏感计算精度。