三相CLLC谐振变换器磁集成平面变压器设计与优化

三相CLLC谐振变换器凭借其高效率、大容量、低器件应力等优势而受到广泛关注。然而,多相结构的磁性元件数量多、体积大,是制约功率变换器尺寸的主要因素。随着宽禁带(WBG)半导体器件的出现,功率变换器的开关频率显著提高,这也为印制电路板(PCB)绕组的使用提供了有利条件。与传统绕线式绕组相比,PCB绕组的扁平特性更适用于平面磁性元件。此外,由于高频带来的低电感需求也使得基于PCB绕组的平面磁性元件更有利于实现集成。该文提出一种新型的基于PCB绕组的电感和变压器的集成结构,详细分析磁心结构的磁路模型,并给出集成磁件的优化设计方法,最后通过搭建一台基于SiC器件的800 V/10 kW的实验样机进行验证。实验结果表明,该集成方案可有效减小变换器的体积和损耗,具有高功率密度和高效率。

基于GaN器件与磁集成技术的车载充电机实验平台研究

随着新能源汽车的普及,对车载充电机的要求越来越高。为了有效提升整机效率和功率密度,将GaN器件与磁集成技术应用于车载充电机,进行了实验平台研究。基于GaN器件设计了两级式车载充电机拓扑结构与外围电路,通过制作磁集成平面变压器,优化了CLLC变换器,完成了整机控制程序设计及2kW车载充电机实验样机搭建,并对样机进行了实验测试与波形分析。实验结果表明,实验样机具有良好的稳态特性与动态特性,整机功率因数在0.98以上,满载峰值效率达到95.22%。该平台能够帮助学生加深对电力电子技术的认识,掌握新型电力电子器件的特性及应用,锻炼实践操作能力,提高相关课程的教学质量。

一种基于磁集成的零输入电流纹波高增益直流变换器

针对光伏系统发电模块输出电压低、DC/DC变换器输入电流纹波大等问题,提出一种基于磁集成的零输入电流纹波高增益直流变换器。该变换器在改进型Sepic电路结构的基础上,将输入电感与变压器进行磁集成设计,使变换器只用一个磁性元件即可实现高增益和零输入电流纹波。该文详细分析所提变换器的工作原理以及输入电流零纹波特性、电压增益特性和开关器件应力特性,给出关键参数设计,并详细阐述磁集成设计方案。搭建1台143 W、56 V/380 V的实验样机,验证理论分析的正确性。

智能化永磁集成滚筒驱动型无基础可伸缩带式输送机关键技术

针对煤矿井下工作面可伸缩带式输送机在关键部件设计和优化、故障诊断、智能化运维等方面面临的问题和挑战,本研究从高效拆装、集成驱动、智能控制、智能监测等关键技术出发,提出了智能化永磁集成滚筒驱动型无基础可伸缩带式输送机关键技术。主要涉及四个方面:可伸缩带式输送机无基础、高效拆装技术;矿用大功率永磁集成驱动滚筒技术;智能永磁变频张紧技术;煤矿带式输送机智能监测技术。通过上述技术最终实现可伸缩带式输送机安全、高效、智能化运行,为煤炭行业煤矿智能化建设提供设备上的支持。

耦合电感倍压解耦磁集成高电压增益变换器

为实现更高的电压增益,提出一种耦合电感倍压解耦磁集成高电压增益变换器。该变换器通过设计耦合电感匝数比和调节占空比来实现高电压增益,采用磁集成磁件设计方案,减少了变换器磁件的体积和数量。该文首先分析变换器器件的应力,给出变换器电压增益与占空比之间的变化关系;然后,利用磁路-电路对偶分析法推导得到耦合电感与输入电感解耦集成磁件的磁路模型,获得了输入电感与耦合电感之间的解耦磁集成设计准则;最后,搭建一台额定功率为300W的实验样机,对所提出的变换器和解耦集成磁件设计理论进行实验验证,验证了理论的正确性。变换器的效率达到93%以上,在光伏发电系统中具有一定的实用性。

一种交错并联双向DC-DC变换器的新型磁集成技术

为了提高交错并联双向DC-DC变换器的功率密度,降低高频工作下的磁心损耗,提高变换器的整体效率,该文提出一种新型磁集成电感结构,采用分段绕组优化设计,通过计算磁心气隙以及各磁柱绕线匝数等参数,将两个分立的电感集成在一个EE型磁心上。使磁元件体积和重量分别减小了48.2%和46.7%。与现有的交错并联磁集成方案相比,该方法能有效降低磁心的饱和度,使磁心上的磁通分布更加均匀,减小电感磁心损耗,提高系统效率。最后,通过有限元仿真和实验样机验证该设计的正确性和有效性.

磁集成变换器耦合电感电流纹波研究

为了减小变换器中电感电流纹波,研究耦合磁集成对电流纹波大小的影响,从耦合电感数学模型角度出发,建立两相耦合电感的通用集成模型。根据数学模型分析了影响电流纹波的各个影响因素以及各个参数的限制条件,系统分析了两电感电压比为常数和电感电压比为时间数两种情况下,不同的占空比、相位角以及耦合系数对电感电流纹波的变化规律,给出了不同情况下的电感电流纹波的计算方法以及设计准则。对上述两种情况进行了仿真验证,通过设置特定的仿真参数,对比理论分析结果验证了原理分析的正确性。最后,以两种不同变换器为例,验证了磁集成纹波分析的正确性。

磁集成高增益耦合电感组合Sepic变换器

为使直流变换器获得更高的电压增益,采用电路分析方法,将耦合电感倍压单元引入到组合式Sepic变换器,同时将两个储能电感与耦合电感进行磁集成,提出一种带有耦合电感的磁集成高增益组合Sepic拓扑直流变换器。分析了变换器的工作原理,给出了变换器各个工作模态,推导并求解得到变换器的电压增益表达式,同时获得了开关管的电压应力。研究结果表明:变换器耦合电感电流纹波与电感量比、电感耦合度有关,在耦合电感的电感量比为1及全耦合的情况下,变换器的电压增益是传统Sepic变换器的1+(1+n)/D倍。变换器的2个储能电感与耦合电感通过解耦集成的方式进行磁集成,有效地利用磁芯结构,减少了磁芯数量,集成磁件的体积比独立磁件减小了近30%;变换器实验样机效率达到了92.8%,测试的实验波形结果验证了理论分析的正确性。研究结论可为磁集成高增益耦合电感组合变换器的设计提供了理论依据。

磁集成三端口电力电子变压器的改进控制方法

针对现有多端口电力电子变压器磁性元件体积大、功率变换单元多、成本高的问题,提出基于磁集成的三端口拓扑及控制策略。将传统拓扑的6个桥臂电感和大量的高频变压器集成为3个集成变压器,从而减小磁性元件体积。在变压器副边绕组接1个三相桥即可构建低压直流端口,极大地减少功率变换单元数目。利用桥臂电压的直流、工频和高频分量分别控制中压直流、中压交流和低压直流端口功率,实现多端口功率调控。为提高中压直流端口电能质量,将桥臂电压的高频分量设计为三相对称的六阶梯波,使其激发的电流分量在三相回路中相互抵消,从而实现中压直流端口高频电流纹波消除。最后,建立了4 MW仿真模型进行验证,结果证明了所提拓扑和控制策略的有效性。

EIE组合磁材磁集成变压器的设计与研究

针对带有功率因素校正功能的LLC谐振变换器,提出了一种新型EIE组合磁材磁集成变压器,采用解耦集成的方式将PFC电感、LLC谐振电感以及LLC高频变压器这三个独立的磁性元件集成到一起。详细介绍了磁集成变压器设计方法,并利用ANSYS Maxwell仿真软件对EIE组合磁材磁集成变压器进行建模仿真。比较锰锌铁氧体材料与铁硅铝磁粉芯材料的特点后,为了提高变压器的抗饱和能力,选用I型磁芯材质为铁硅铝磁粉芯。最后,搭建了一台输出功率为100 W的实验样机证实了EIE组合磁材磁集成变压器设计方法的可行性。

考虑死区时间的磁集成LLC变换器设计

介绍了磁集成LLC变换器的电路结构及其等效模型,给出了参数设计方法及步骤。基于基波近似法推导了电压增益表达式和临界增益表达式,分析了运行状态对死区时间的影响。给出了利用漏感实现磁集成设计的变压器结构,实现了磁集成变压器中谐振电感的设计。制作了一台峰值效率达95%,功率为180 W的样机,验证了所提方法的有效性。

基于CLLC谐振变换器的磁集成变压器优化设计

针对车载充电器后级DC/DC变换器,采用CLLC谐振变换器作为主电路拓扑,通过对变压器的磁芯尺寸进行自定义设计,实现用变压器漏感代替变换器谐振电感。为了减小变压器高度、提高功率密度,进一步对初步设计的变压器结构进行了优化,给出了磁芯优化改进的约束条件。最后通过有限元仿真以及样机实验验证了变压器设计理论的正确性和结构改进的合理性。

高频LLC谐振变换器的磁集成和一体化PCB绕组优化设计

研究了一种基于磁集成技术和一体化PCB绕组的高频高密度LLC谐振变换器的优化设计与实现方式。LLC谐振变换器的变压器与谐振电感被集成在一个磁芯中,通过将谐振电感配置在变压器副边以实现两个磁件之间更大的磁通相位差。有限元仿真结果表明,相比于分立磁件,集成磁件的体积降低了12%,磁芯损耗降低了23%。此外,为了减小PCB绕组层间电容引起共模噪声,研究了一种针对全桥整流电路的对称一体化PCB绕组实现方式,部分屏蔽层绕组集成为原边绕组以提高绕组利用率。最后,搭建了一台1.2 MHz-750 W-270 V/48 V的LLC谐振变换器,峰值效率达96.6%,功率密度达44 W/mm^(3),共模电流的对比测试结果也验证了所研究的一体化PCB绕组的有效性。

交错并联磁集成双向Buck/Boost变换器电路放电能量分析

为了提高双向开关变换器的本质安全特性,并实现大功率,低纹波电压,同时减小开关电源的体积与成本,将交错并联磁集成技术引入到双向Buck/Boost变换器电路中,建立了一种本质安全型交错并联磁集成双向DC/DC变换器拓扑图,从Buck变换器模态和Boost变换器模态两个方面,分析磁耦合对于纹波电流的影响,并通过对耦合系数取值的研究,使其达到电气特性和本安特性最优,得出两模态下等效电感和内部本质安全等效电感。推出了双向交错并联磁集成变换器本安判据,最后通过仿真验证了理论分析的正确性。

结合磁集成与交错并联技术的无线充电系统

稳定的输出特性、较高的系统效率及集成度对于无线充电系统具有重要意义。针对这些需求,首先将两相交错并联的Buck变换器引入无线充电系统,结合闭环控制策略,通过调节Buck占空比实现恒压/恒流输出。交错并联变换器可以有效降低器件应力、损耗、及输出电流纹波,提高效率并延长用电器寿命。此外,利用磁集成技术可将系统中的功率电感与磁耦合机构进行集成。在不影响功率传输的前提下,利用耦合机构内部空间将LCC补偿拓扑电感、交错并联变换器中的滤波电感分别与发射线圈、接收线圈集成,提高系统的集成度。最后,基于67.2 V/8 A的实验平台实现了恒压/恒流充电,证明了系统可行性。

开关电源中磁集成技术及其应用

回顾了磁集成技术的发展历史,介绍并简要分析了目前磁件的等效电路模型及建模方法,从磁心特性、磁集成的通用方法以及不同的磁集成对象三方面对磁集成技术的主要应用研究内容进行了概括分析,总结了磁集成技术的多解性特点、常用的磁集成方式以及磁集成应用的限制。

基于磁集成结构DC-DC变换器的超级电容储能系统

针对电力驱动设备用电的波动性,提出一种新型磁集成的超级电容储能系统应用于电力驱动设备。该储能系统采用新型磁集成结构的DC-DC变换器,该变换器能较大地减少磁件体积和电流脉动,自身损耗小。储能系统在给设备提供足够电能的同时,还可以稳定供给电压,优化电能质量。通过MATLAB/Simulink仿真和实验结果表明,该储能系统能够很好地跟踪负载电流,及时补充欠缺电能,吸收多余电能,在负载阶跃变化时,直流母线电压变化不超过额定电压的3.33%,与传统解决方案相比,该系统具有更好的性能和工程实用价值。

多相并联磁集成电压调整模块的电路建模研究

针对磁集成磁路耦合和建模分析的难点,提出了一种基于回转器-电容模型的磁集成建模方法。在该模型中,磁性参数中的磁导类比于电路中的电容,绕组励磁类比于电流控制电压源型回转器。文章首先利用回转器-电容模型对两相电压调整模块进行建模研究,并推导出具体的磁集成自感和互感表达式;然后根据该建模方法推导出多相并联磁集成的电路模型,并利用相似矩阵对角化原理求解得到通用模型表达式;文章最后比较了利用回转器-电容模型的磁集成电压调整模块的仿真与实验结果。研究表明,该模型与实际应用相吻合,能仿真磁集成电路的稳态和动态特性,为磁集成建模提供了一个新的研究思路。

一种新型的磁集成双Buck逆变器

双Buck逆变器(DBI)是一种高效可靠的变换器拓扑,但其需要两个电感,且体积重量较大。本文提出一种新型的磁集成双Buck逆变器。通过在DBI中引入磁集成技术来减小磁件体积重量。并采用四绕组集成磁件的双Buck逆变器避免出现额外的环流问题,磁件最大工作磁势和所需绕组匝数均大幅降低,因而磁件体积重量得以减小。实验验证了理论分析的正确性。

交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器

提出一种具有开关电感的交错并联磁集成双向DC/DC变换器,利用开关电感替代传统双向DC/DC变换器中的储能电感,并将所有电感集成为一个耦合电感,充分减小了磁性器件的体积,优化了变换器暂稳态性能。分析了变换器的工作模态,推导得到了变换器电压增益表达式,通过对变换器暂稳态电感的研究对其暂稳态性能进行了深入探讨,并通过推导得出该类变换器耦合电感耦合度的设计准则,同时提出了一种该变换器耦合电感的设计方法。交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器Boost模式的电压增益是传统变换器的(1+D)倍,使输入输出电流纹波得到减少,同时提高了变换器的动态响应速度。