基于磁集成技术的宽范围高功率密度直流变换器研究
发布时间：2021-04-14 20:06
随着现代生活中的用电设备不断丰富,人们对电源性能也提出了更高的要求。一些特殊应用场合要求电力电子变换器能够在宽输入电压条件下保持良好的稳定性和性能。本文针对50-400V（高低输入电压比8:1）宽输入电压范围,总结国内外学者提出的改进方案和拓扑结构,提出一种基于磁集成技术的双路移相Boost与半桥LLC级联式软开关变换器,并采用变模态控制,以实现宽输入条件下的高效高功率密度应用。本文对所提出的级联变换器的工作原理进行详细阐述,首先分析前级双路移相Boost变换器在移相控制下的工作机理,为保证软开关特性的前提下,实现电感电流纹波最小,以此确定最佳工作模式,在该模式下进行更深入的分析,包括模态分析、电流纹波分析、损耗分析等,并给出实现软开关特性的充要条件,在仿真实验中验证理论分析的正确性;对于后级半桥LLC谐振变换器,本文进行简要分析介绍,包括模态分析、增益特性分析等,并分析宽输入条件下谐振参数对LLC谐振变换器特性的影响,说明该变换器在过宽的输入条件下性能难以保持良好,需要设置前级进行预稳压。基于原理分析,并根据性能指标要求,对电路主要参数进行设计,包括耦合电感的电感量和耦合系数、后级谐...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-3支路电流纹波大小IL与占空比D和移相比α之间的关系
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-36-maxs_maxmaxmax2(1)[()](1)(1)ooesosLPVDBDANDVkLf(3-20)由式(3-16)可知，中柱磁通与两条支路电感电流之差成正比。由图2-6可知，两支路电流之差最大值的表达式为：12max111()ABsiiIIkT(3-21)联立上式和式(3-16)，可得占空比最大时，中柱有最大磁密：min_max2[1(1)](1)ocecsDkVBANkf(3-22)通常来说，三磁柱耦合电感中柱的有效导磁面积为边柱的两倍，即有Aec=2Aes，上式可写成：min_max2[1(1)]2(1)ocessDkVBANkf(3-23)代入参数计算发现Bc_max远小于Bs_max，由此会造成磁芯磁路不均匀的问题，需要根据边柱最大磁通来选择磁芯，为了防止边柱磁通饱和需要使用体积更大的磁芯，因此中柱磁芯利用率较校为了验证理论分析，使用Ansys公司的电磁场有限元分析仿真软件Maxwell建立集成磁件模型。基于磁芯厂家提供的铁氧体材料参数，设置磁芯材料属性后，再根据设计的电感量及耦合系数合理设计气隙大小及绕组数，然后按照变换器最大输入电流的工作条件，在两个绕组中注入电流激励，设置好相应的安匝数，进而使用涡流场求解器进行仿真。图3-6传统耦合方式磁芯磁通密度分布仿真结果图3-6为输入电流最大时耦合电感器磁通密度分布仿真结果，图中显示边柱磁通密度远大于中柱，以至于在边柱的边缘及气隙附近容易出现饱和，而有效导磁面积较大的中柱利用率不高，而且市面上常用的E型磁芯大多为中柱大、边柱小，因此会造成磁芯体积的浪费，变换器集成度难以提高。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-38-芯磁阻，忽略磁芯磁阻大小，因此边柱磁阻近似为中柱的两倍，即Rs=2Rc，可以进一步得到耦合系数为：22m122122122144443LNNNNkLNNNN(3-26)代入3.3节确定耦合系数k=0.875，可求得中柱和边柱绕组比N2/N1=2.24，代入式(3-24)，边柱和中柱磁通表达式可以化简为：1211cg1c(7.483.48)81.37ciiNRiNR(3-27)假设开关管实现了理想的零电压开通，即反向电流最小，当输入电流最大时，边柱和中柱最大磁通密度可分别表示为：12max11_max1s_maxsccc_max1c_maxcc(7.483.48)1.8781.37giiNiNBARARiNBAR(3-28)图3-9改进的集成方式磁芯磁通密度分布仿真图代入参数比较两者大小，发现边柱磁密略大于中柱，但相差不大。在AnsysMaxwell电磁场仿真软件中建立改进的三磁柱耦合集成模型，图3-9为输入电流最大时耦合电感器磁通密度分布仿真结果。与图3-6相比较，可以发现使用改进的集成方式后，磁芯磁通密度分布更加均匀，在相同的工作条件下最大磁密大幅减小，磁芯的利用率大大提高使得磁芯体积减小，从而提高变换器的功率密度。因此，这种改进的三磁柱耦合集成方式可以在实现相同的电气特性的基础上，磁芯性能相对更好。另外边柱和中柱的气隙长度相等，不需要额外的高精度磨床加工，因此更具有实用价值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]半桥型LLC谐振变换器的损耗分析[J]. 金晗,刘威,姚文熙,吕征宇. 电力电子技术. 2019(08)
[2]交错并联LLC谐振变换器的磁集成均流特性[J]. 杨玉岗,吴晗,关婷婷. 电工技术学报. 2019(12)
[3]两相并联Boost变换器的耦合电感软开关策略[J]. 吴其谌,钱挺. 电力电子技术. 2018(01)
[4]基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器[J]. 屈克庆,冯苗苗,赵晋斌. 电机与控制学报. 2017(08)
[5]LLC谐振变换器UIU型电感-变压器磁集成设计[J]. 闫孝姮,杨磊,张莹,查鹏程. 电源学报. 2019(04)
[6]基于非对称耦合电感的交错并联磁集成软开关双向DC/DC变换器的研究[J]. 杨玉岗,王金海,张书淇,朱恩泽. 电源学报. 2018(06)
[7]基于磁集成的LLC谐振变换器设计[J]. 康亚东,尹斌,孙维广,李尹泉. 电源技术. 2016(01)
[8]一次绕组串并联调整的电流源输入型组合推挽变流器[J]. 陈慧,吴新科,彭方正. 电工技术学报. 2015(18)
[9]耦合电感式新型交错Boost软开关变换器研究[J]. 刘帅,韦莉,张逸成,姚勇涛. 电子测量与仪器学报. 2014(12)
[10]交错并联磁集成双向DC/DC变换器的设计准则[J]. 杨玉岗,李涛,冯本成. 中国电机工程学报. 2012(30)
博士论文
[1]适用于宽输入电压范围的Buck-Boost直流变换器及其控制策略的研究[D]. 姚川.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]宽输入范围DC/DC变换器及其效率提升方法研究[D]. 刘树峰.哈尔滨工业大学 2017
[2]高效率DC/DC模块电源的研制[D]. 魏洁利.哈尔滨工业大学 2017
[3]千瓦级DC/DC模块电源的研究[D]. 刘鑫.浙江大学 2017
[4]1000W全砖模块电源实用化研究[D]. 刘天骥.浙江大学 2015
[5]基于变模态的宽输入电压范围隔离型DC/DC变流器的研究[D]. 廖政伟.浙江大学 2013
[6]半桥LLC谐振DC/DC变换器的研究[D]. 童辉.南京理工大学 2012
[7]宽范围输入两级式DC/DC变换器的研究[D]. 俞鹏.重庆大学 2011
[8]适用于交错并联电路的新型耦合电感[D]. 徐立刚.南京航空航天大学 2009
[9]一种新颖的隔离型软开关Boost变换器的研究[D]. 朱宁.浙江大学 2008
[10]LLC谐振变换器的设计[D]. 朱立泓.浙江大学 2006
本文编号：3137936
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-3支路电流纹波大小IL与占空比D和移相比α之间的关系
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-36-maxs_maxmaxmax2(1)[()](1)(1)ooesosLPVDBDANDVkLf(3-20)由式(3-16)可知，中柱磁通与两条支路电感电流之差成正比。由图2-6可知，两支路电流之差最大值的表达式为：12max111()ABsiiIIkT(3-21)联立上式和式(3-16)，可得占空比最大时，中柱有最大磁密：min_max2[1(1)](1)ocecsDkVBANkf(3-22)通常来说，三磁柱耦合电感中柱的有效导磁面积为边柱的两倍，即有Aec=2Aes，上式可写成：min_max2[1(1)]2(1)ocessDkVBANkf(3-23)代入参数计算发现Bc_max远小于Bs_max，由此会造成磁芯磁路不均匀的问题，需要根据边柱最大磁通来选择磁芯，为了防止边柱磁通饱和需要使用体积更大的磁芯，因此中柱磁芯利用率较校为了验证理论分析，使用Ansys公司的电磁场有限元分析仿真软件Maxwell建立集成磁件模型。基于磁芯厂家提供的铁氧体材料参数，设置磁芯材料属性后，再根据设计的电感量及耦合系数合理设计气隙大小及绕组数，然后按照变换器最大输入电流的工作条件，在两个绕组中注入电流激励，设置好相应的安匝数，进而使用涡流场求解器进行仿真。图3-6传统耦合方式磁芯磁通密度分布仿真结果图3-6为输入电流最大时耦合电感器磁通密度分布仿真结果，图中显示边柱磁通密度远大于中柱，以至于在边柱的边缘及气隙附近容易出现饱和，而有效导磁面积较大的中柱利用率不高，而且市面上常用的E型磁芯大多为中柱大、边柱小，因此会造成磁芯体积的浪费，变换器集成度难以提高。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-38-芯磁阻，忽略磁芯磁阻大小，因此边柱磁阻近似为中柱的两倍，即Rs=2Rc，可以进一步得到耦合系数为：22m122122122144443LNNNNkLNNNN(3-26)代入3.3节确定耦合系数k=0.875，可求得中柱和边柱绕组比N2/N1=2.24，代入式(3-24)，边柱和中柱磁通表达式可以化简为：1211cg1c(7.483.48)81.37ciiNRiNR(3-27)假设开关管实现了理想的零电压开通，即反向电流最小，当输入电流最大时，边柱和中柱最大磁通密度可分别表示为：12max11_max1s_maxsccc_max1c_maxcc(7.483.48)1.8781.37giiNiNBARARiNBAR(3-28)图3-9改进的集成方式磁芯磁通密度分布仿真图代入参数比较两者大小，发现边柱磁密略大于中柱，但相差不大。在AnsysMaxwell电磁场仿真软件中建立改进的三磁柱耦合集成模型，图3-9为输入电流最大时耦合电感器磁通密度分布仿真结果。与图3-6相比较，可以发现使用改进的集成方式后，磁芯磁通密度分布更加均匀，在相同的工作条件下最大磁密大幅减小，磁芯的利用率大大提高使得磁芯体积减小，从而提高变换器的功率密度。因此，这种改进的三磁柱耦合集成方式可以在实现相同的电气特性的基础上，磁芯性能相对更好。另外边柱和中柱的气隙长度相等，不需要额外的高精度磨床加工，因此更具有实用价值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]半桥型LLC谐振变换器的损耗分析[J]. 金晗,刘威,姚文熙,吕征宇. 电力电子技术. 2019(08)
[2]交错并联LLC谐振变换器的磁集成均流特性[J]. 杨玉岗,吴晗,关婷婷. 电工技术学报. 2019(12)
[3]两相并联Boost变换器的耦合电感软开关策略[J]. 吴其谌,钱挺. 电力电子技术. 2018(01)
[4]基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器[J]. 屈克庆,冯苗苗,赵晋斌. 电机与控制学报. 2017(08)
[5]LLC谐振变换器UIU型电感-变压器磁集成设计[J]. 闫孝姮,杨磊,张莹,查鹏程. 电源学报. 2019(04)
[6]基于非对称耦合电感的交错并联磁集成软开关双向DC/DC变换器的研究[J]. 杨玉岗,王金海,张书淇,朱恩泽. 电源学报. 2018(06)
[7]基于磁集成的LLC谐振变换器设计[J]. 康亚东,尹斌,孙维广,李尹泉. 电源技术. 2016(01)
[8]一次绕组串并联调整的电流源输入型组合推挽变流器[J]. 陈慧,吴新科,彭方正. 电工技术学报. 2015(18)
[9]耦合电感式新型交错Boost软开关变换器研究[J]. 刘帅,韦莉,张逸成,姚勇涛. 电子测量与仪器学报. 2014(12)
[10]交错并联磁集成双向DC/DC变换器的设计准则[J]. 杨玉岗,李涛,冯本成. 中国电机工程学报. 2012(30)
博士论文
[1]适用于宽输入电压范围的Buck-Boost直流变换器及其控制策略的研究[D]. 姚川.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]宽输入范围DC/DC变换器及其效率提升方法研究[D]. 刘树峰.哈尔滨工业大学 2017
[2]高效率DC/DC模块电源的研制[D]. 魏洁利.哈尔滨工业大学 2017
[3]千瓦级DC/DC模块电源的研究[D]. 刘鑫.浙江大学 2017
[4]1000W全砖模块电源实用化研究[D]. 刘天骥.浙江大学 2015
[5]基于变模态的宽输入电压范围隔离型DC/DC变流器的研究[D]. 廖政伟.浙江大学 2013
[6]半桥LLC谐振DC/DC变换器的研究[D]. 童辉.南京理工大学 2012
[7]宽范围输入两级式DC/DC变换器的研究[D]. 俞鹏.重庆大学 2011
[8]适用于交错并联电路的新型耦合电感[D]. 徐立刚.南京航空航天大学 2009
[9]一种新颖的隔离型软开关Boost变换器的研究[D]. 朱宁.浙江大学 2008
[10]LLC谐振变换器的设计[D]. 朱立泓.浙江大学 2006
本文编号：3137936
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