高频绝缘芯变压器热网络建模与冷却系统设计优化.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

大功率直流高压电源是中低能区辐照加速器系统中的关键设备，其输出性能直

接影响束流质量。其中，高频绝缘芯变压器型电源具有功率密度高、效率高、体积小

等优势，弥补了传统绝缘芯变压器（InsulatedCoreTransformer，ICT）型电源的不足，

有望成为1MeV以下大功率直流高压电源主要的发展方向。然而，高功率密度、高

效率会导致高频ICT的温升问题严重，因此，准确预测其温度分布对冷却系统的设

计和结构参数的优化具有重要意义。本文将基于华中科技大学现有方案开展进一步

研究，主要内容如下：

高频ICT的寿命和绝缘老化与温度密切相关，特殊的分段磁芯结构导致其热特

性更为复杂。为实现各部件稳态温升的快速准确计算，本文以一台两磁芯柱高频ICT

为例，基于热电类比原理建立了热网络模型，并借助有限元软件仿真验证了热网络模

型的准确性。热网络模型占用的计算资源少且计算时间短，为高压电源多参数优化设

计提供了更为高效的技术手段。

针对高频ICT在自然对流条件下温升较高，无法正常工作的问题，本文开展了

散热设计的研究，提出了冷却系统的总体方案。结合理论计算和有限元仿真分析了初

级和次级绕组的冷却情况，验证了冷却方案的合理性。在此基础上，完成了导流管道

的设计和风机的选型。同时，对装置所用的翅片盘管换热器进行了选型和设计，并通

过有限元仿真验证设计结果。

为提升高频ICT换热器的性能，本文建立了换热器的数学模型，通过正交试验

法分析了各结构参数对其热力性能的影响，对比确定了经济性最优的换热器参数方

案。在充分考虑损耗、尺寸、磁通密度、孔口出流速度等因素的基础上，提出了基于

自由参数扫描法的优化设计流程，并通过有限元仿真验证了优化设计的合理性。

关键词：高频绝缘芯变压器；热网络模型；冷却系统设计；优化设计

I

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Abstract

Thehigh-powerhigh-voltageDCpowersupplyisthekeycomponentofirradiation

acceleratorsformiddleandlowenergyregions.Itsoutputperformancedirectlyimpactsthe

qualityofthebeam.Amongvariouspowersupplytypes,thehighfrequencyinsulatedcore

transformerpowersupplyhasnumerousadvantagessuchashighpowerdensity,high

efficiency,andsmallsize,whichfillsthegapsleftbythetraditionalinsulatedcore

transformer(ICT)powersupply.Itisexpectedtobecometheprimarysourceofhigh-power

high-voltageDCpowersuppliesbelow1MeV.However,highpowerdensityandefficiency

ofthehighfrequencyICTleadtoserioustemperaturerise.Therefore,precisetemperature

distributionpredictioniscriticalfordesigningcoolingsystemsandoptimizingstructural

parameters.BasedontheexistingprototypedevelopedbyHuazhongUniversityofSc