一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器

该文提出了一种具有高增益、软开关的新型谐振变换器。该谐振变换器使用耦合电感来提高电压增益,升压比不仅取决于占空比,还取决于耦合电感的变比,具有高增益的优点。此外,由于采用了有源钳位技术,漏感中的能量可以被回收利用,用来对开关管的结电容充放电提供能量,从而实现软开关。由于采用了耦合电感,所提出的变换器可以在较低的开关管电压应力的情况下实现较高的输出电压,因此可以使用低导通电阻的低压器件,从而提升系统的效率。该文分析了该谐振变换器的工作原理,并推导了输出电压、关断电流应力等参数的解析表达式。在此基础上,从理论上分析了该变换器取得软开关的条件,并对该变换器的各个器件的电压电流应力进行分析,为器件选型提供了理论依据。最后,搭建1kW实验样机,针对该文提出的基于耦合电感的谐振变换器的高增益、软开关、低电压应力、高效率等性能进行了实验验证。通过实验得出所提出的拓扑可以在10倍增益的情况下达到最高97.5%的效率,表明所提拓扑的优越性。

一种应用于两相交错Boost的耦合电感的优化设计

两相交错Boost变换器具有纹波电流小的优势,但其采用的交错并联技术增加了电感数量,进而增加了装置的体积和重量,不利于其功率密度的提升。耦合电感通过将多个磁性元件集成到一个磁芯实现磁路的部分共享,从而减小了磁元件的数量和重量。因此,设计了一种反向耦合电感,并将其应用于两相交错Boost变换器,实现了装置功率密度的提升。首先,对反向耦合电感的工作原理和损耗来源进行分析;然后,在此基础上设计了一种改进的“EE”型磁芯,一方面有效提高了磁芯利用率,另一方面降低了电感的体积与重量;最后,通过有限元仿真对所提优化设计方案进行验证,同时搭建了功率等级为2 kW的两相交错Boost变换器实验平台。仿真和实验结果均验证了所提优化设计方案的有效性。

基于二次型升压变换器和开关电容的混合式升压方案研究

提出一种混合式高升压比DC-DC变换器。该变换器由二次型升压变换器、开关电容和耦合电感单元集成。为了减少元件的数量,耦合电感一次侧与二次型升压变换器共用;二次型升压变换器的输出电容一分为二,并与开关电容共用。由于电源和负载之间的共地特性,则输入电流连续。对所提变换器的电压增益进行了推导,并分析其电压应力。结果表明所提逆变器具备高电压增益、低电压应力的特性。最后,搭建了80 W的实验样机,实验结果验证了所提变换器的正确性和有效性。

一种应用于光伏的高增益DC/DC变换器研究

基于耦合电感、开关电容与输入电压源组成的基本功率单元,提出一种集成式新型DC/DC变换器。该拓扑结构具有模块化和可扩展性,耦合电感和开关电容结构组成的倍压单元提升了电路的升压比。漏感能量通过钳位电路回收,以降低开关管电压应力和功率损耗;同时缓解了二极管的反向恢复问题,优化了开关管和二极管的选择。详细介绍了稳态分析、工作原理和设计考虑;最后并制作了90 W实验样机,验证了理论分析的正确性。

基于寄生电感优化的分立器件布局方法研究

为了探究分立器件与PCB组合形成的半桥电路时采用何种布局方式才能尽最大限度减小线路寄生电感的问题,基于换流回路寄生电感概念,提出了一种经优化的分立器件在PCB上的布局方式,进而减小换流回路的寄生电感,随后通过有限元仿真软件评估并验证不同布局方式所产生的寄生电感,并结合LTspice电路仿真软件评估不同布局方式对器件电开关特性的影响,最后通过双脉冲实验验证了所设计的一种经过优化布局半桥电路的优越性.所提供的半桥电路的设计方法为分立器件在PCB上的布局提供了理论和技术支撑.

一种交叉倍压型高增益DC/DC变换器

针对光伏发电、燃料电池发电等领域对高增益直流变换器的需求,以两相交错并联升压变换器为研究对象,由2个含有电感的倍压单元组合设计出实现电压提升的交叉倍压结构,据此提出了一种新颖的交叉倍压型高增益DC/DC变换器。该变换器可实现(3n+4)/(1-d)倍的高电压增益(1∶n为耦合电感匝数比,d为变换器占空比),且具有电路器件的低电压应力特性。对于漏感引起的开关管电压尖峰问题,引入了钳位电容构成释放漏感能量通道,同时提升了输出电压。介绍了新型交叉倍压型高增益变换器的拓扑结构,分析了变换器各模态的工作过程,推导了电压增益、输入电流纹波及各器件电压应力等稳态特性,并搭建样机进行实验研究,验证了该直流变换技术方案的可行性和先进性。

高增益耦合电感组合Boost-Cuk变换器

为了解决传统变换器电压增益低的问题,将Boost变换器与Cuk变换器进行并联集成,并利用耦合电感倍压技术提高变换器的电压增益。设计而成的高增益耦合电感组合Boost-Cuk变换器保留了Cuk变换器输出电流的连续性,新型结构中使用无源钳位来吸收漏感能量,对寄生电容与漏感谐振引起的电压尖峰起到约束作用,降低了开关管的电压应力。描述了变换器电感电流连续模式(Continuous current mode,CCM)下的运行特点,并进行了该变换器的参数设计。最后,通过搭建一台100 W的试验样机来求证理论的正确性。

新型高增益耦合电感二次型变换器

将开关-耦合电感单元引入二次型变换器,采用一个耦合电感和两个独立电感,在开关管关断时,电感为电容充电;导通时,利用电容为负载供电。与传统变换器相比,所提出的变换器采用更少的器件,能得到高电压增益效果与低占空比。采用了降低电压应力的电容,二极管和半导体开关,开关管应力更低。提出了稳态和比较性能分析,制作了一台140W实验平台,给出实验数据与结论,验证了理论分析的正确性。

基于开关电感的宽电压增益双向DC/DC变换器

此处提出了一种用于储能系统的基于开关电感的宽电压增益双向DC/DC变换器。该变换器在实现双向升降压的同时进一步扩大了双向变换器的电压增益,可以适应不同电压等级的储能电池;相同电压增益下功率器件占空比有效降低,进一步减小了输入电流纹波,有助于提高电池充电性能。分析了放电和充电两种工作模式的工作原理,并搭建实验样机进行验证。实验结果表明在输出电压稳定的工况下,该变换器放电模式可以实现0.5~5倍的电压增益,充电模式可以实现0.2~2倍的电压增益,证明了所提变换器的双向升降压能力和宽电压增益能力。

卧式反应釜电磁感应加热设计

针对大型反应釜的感应加热难以进行大量实验验证的问题,通过将理论计算与有限元仿真相结合的方式,对计算得出的参数进行优化,选择合适的输出功率和谐振频率,完成感应器的设计。通过仿真可以更好对比不同匝数、自热对流和搅拌轴对加热的影响,更直观地查看工件温度分布情况,缩小计算参数误差,实现反应釜加热的工艺要求。

考虑电感饱和的逆变器变开关频率控制仿真

不当操作会导致电感饱和状态下逆变器功率损耗严重,为了提升频率控制的稳定性,提出考虑电感饱和的逆变器变开关频率控制方法。根据逆变器的构成获取相关参数的矢量关系,利用基尔霍夫电压定律生成电感饱和状态的逆变器数学模型,通过旋转构建逆变器在dp坐标系下的数学模型,用于预测推导逆变器的电压值。设计开关控制的三大核心成分,分别为功率鉴定器、频率鉴定器和频率滞环比较器,利用电压定向矢量控制方法分别从三个核心成分中得出逆变器的损耗、功率控制结果以及频率状态量误差,完成逆变器变开关频率控制。实验结果表明,所提方法的电压控制效果较好,频率控制稳定性较高。

基于MPC的耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器功率均衡解耦控制策略

耦合电感功率变换器因耦合电感阻抗、电感值等参数差异易导致功率不均衡。针对耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器,提出一种基于模型预测控制(MPC)的功率均衡解耦控制策略。通过对变换器原理进行分析,建立基于电感电流解耦的数学模型,得到包括电感电流和飞跨电容电压等6个控制变量的解耦控制方法。在此基础上,提出基于MPC的功率均衡解耦控制策略。同时,为降低MPC算法的运算负荷,根据解耦控制模型重构模型预测价值函数,实现各控制变量独立动态寻优,使系统能在稳定控制输出电压及飞跨电容电压的同时,实现两相耦合电感的功率均衡控制。最后,通过理论分析及实验对所提策略进行有效验证。

基于SEPIC的新型高增益DC-DC变换器及衍生拓扑分析

针对光伏并网系统中单开关升压变换器(如SEPIC、Boost、准Z源、二次型)电压增益低和半导体器件电压应力大的问题,提出1种基于SEPIC的外部升压型高增益DC-DC变换器。首先对所提变换器在电感电流连续导通模式和断续导通模式下的工作原理和稳态特性进行详细分析,并与其他新型拓扑进行性能对比。在此基础上,给出了基于外部升压网络的衍生拓扑。最后,通过搭建1台400 V/200 W的实验样机证明了理论分析的准确性。所提变换器利用阻抗网络和开关电容单元构成的外部升压网络提升了SEPIC变换器的电压增益,并改善了半导体器件电压应力大的缺点。

超导储能电感用于重接型电磁推进电源的研究

为了验证高温超导储能电感作为重接型电磁推进脉冲电源的可行性,采用Ansoft Maxwell 3D建立了重接型电磁推进器瞬态仿真模型,脉冲电源的设计结合了多模块储能电感串联充电和并联放电的模式,电路中采用转换电容器限制断路开关工作过程中的高电压。电感和电容参数都对最佳触发放电位置有一定的影响,即对驱动线圈电流脉冲的上升沿时间有影响。因为驱动线圈建立磁场的速度决定抛体感应出的涡流大小,抛体受到的驱动力与驱动线圈磁场大小和磁场建立的速度都有关。在多级推进系统的参数设计时,除了减小触发放电位置外,还需适当地减小驱动线圈的电感和减小转换电容的参数。

数字式交流恒流源传导电磁干扰抑制方法

数字式交流恒流源中大量功率开关器件的使用产生了严重的传导电磁干扰(EMI)噪声,为了抑制交流恒流源传导EMI噪声,此处设计了一种基于耦合电感的EMI滤波器。该滤波器由耦合电感模块和差模电容等部分构成,利用耦合电感模块等效出的共模负电容抵消恒流源系统寄生电容,阻断噪声传导路径,抑制交流恒流源输入侧共模噪声,利用等效出的共模正电容与差模电感抑制恒流源输出侧噪声。实验结果表明,该EMI滤波器能显著抑制恒流源输入侧和输出侧的传导EMI噪声,且使用较少的元器件,有效减小了滤波器体积及成本。

一体成型电感线圈结构与直流叠加性能关联分析

基于有限元法对一体成型电感(典型规格6.6 mm×6.6 mm×3 mm)的磁场分布进行仿真分析,根据其磁场分布特点提出了电感等效磁路模型,并分析了线圈结构参数对一体成型电感的感值、直流叠加特性的影响。结果表明,在保持线圈匝数为8.5不变的条件下,线圈直径D由2.0 mm增至5.2 mm时,电感内部的总磁阻先减小后增大、感值相应地先增大后减小,在D=4.8 mm左右时总磁阻最小、感值最高;在使用相同磁心材料的情况下,线圈结构参数为N=10.5、D=3 mm(N10D3)和N=8.5、D=4 mm(N8D4)的电感具有相近的初始感值,但N8D4结构电感内部磁场分布比N10D3结构更均匀,表现出更优的直流叠加性能。

导通时延抖动对无电抗器电容型脉冲电源的影响

无电抗器电容储能型电源技术是提升高功率脉冲电源小型化与轻量化水平的有效途径之一,可加速推动电磁轨道发射技术的工程化应用。该型电源工作期间,晶闸管导通时延抖动是影响电源系统安全运行的重要因素。该文建立大功率晶闸管与动态负载的子电路模型,并通过模拟试验验证模型的准确性,结合系统输出性能与半导体开关性能进行对比分析,研究先导通模块的抖动阈值,为电源设计提供参考。结果表明:去除脉冲电抗器后,系统效率提升2.13%,导通时延抖动对系统输出性能影响极小;当出膛速度一致时,更高的系统效率使得无电抗器电源的小型化、轻量化水平进一步提升,体积减小了23.1%,质量减少了18.9%;导通时延抖动影响先导通模块晶闸管的运行安全,应关注高电流上升率以及由此可能引起的电流尖峰;在0.1μs的抖动阈值内,提高导通模块数可有效降低先导通模块的电流上升率;以晶闸管电流上升率限值为边界条件,导通模块数随导通时延抖动的增大以幂函数形式增加。根据系统性能分析,该型电源在增强型电磁轨道发射系统中具备工程可行性。

通过优化偶联剂含量改善磁粉芯综合性能

磁粉芯在工程应用中会遇到体积变化引起的开裂、磁性能低等问题,目前未见关于这方面的研究。通过在羰基铁粉磁粉芯(包含磁环、磁片和一体成型电感)中加入不同含量KH550硅烷偶联剂,研究其成型性、磁性能和力学性能,并利用SEM、TMA和LCR等测试分析偶联剂对磁粉芯性能影响的作用机理。研究表明偶联剂能将树脂“约束”在磁粉表面,并在固化过程中带动磁粉颗粒重排,从而增加磁粉芯的膨胀系数。添加0 wt.%和0.1 wt.%偶联剂的磁粉芯具有负的膨胀系数,容易收缩开裂。当偶联剂含量达到0.3 wt.%、0.5 wt.%和0.7 wt.%时,树脂固化过程中磁粉芯的膨胀系数升高,从而增加磁粉芯的体积,有效抑制磁粉芯的开裂倾向。但是,体积的增加会降低磁粉芯的密度、磁导率、Q值和力学性能,增加损耗。综合考虑磁粉芯的成型性和其他性能,偶联剂添加的最佳比例是0.3 wt.%。揭示了偶联剂对磁粉芯膨胀系数等综合性能的影响规律,可为高性能磁粉芯的工程化应用提供重要理论依据。

感应子脉冲发电机容性整流系统瞬态特性分析

基于放电电感模型全面地分析了感应子脉冲发电机容性整流系统的瞬态特性,厘清了此整流系统存在的全部四种工作模态。推导出各模态之间的临界电压值,以及换流延迟角度和重叠角度的计算式,建立了瞬态模型,并用阀对阀电路仿真和试验结果验证了所提理论计算的准确性。阐明了电路中各模态对充电过程的作用,分析了电路的等效形式,揭示了充电电压与电机电势(EMF)幅值的设计原理。研究结果表明:电路可以看成直流电源串联一个等效换流电抗和等效瞬态换流电感对电容器充电的形式;整个充电过程中起主要作用的是模态1和模态2;合理的充电电压设置值应介于1.3倍~1.5倍发电机相电势幅值之间。

基于矩阵磁结构的平面电感寄生电容优化设计

当平面电感的单层绕组匝数超过一匝时,外侧绕组间存储的电场能量会导致寄生电容偏大。为降低平面电感寄生电容,文中将一个电感拆分为多个分立电感以实现单层一匝的绕制方案,并分析分立电感方案与单磁心方案在铁损、铜损和体积方面的变化。针对分立电感体积增大这一问题,进一步提出矩阵磁方案,给出两电感、四电感磁集成结构。有限元仿真结果表明,相接近的体积下,矩阵磁方案降低了77%的寄生电容,并减小了69%的铜损。最后,搭建一台Buck变换器。功率实验结果表明,矩阵磁结构平面电感具有更优的性能。