双频DC-DC变换器的磁集成技术

双频Buck变换器由两个降压单元级联构成,具有动态响应快,开关损耗小等优势。然而不足的是磁件占据了整个系统的大部分体积与重量,降低了系统的功率密度。针对这一问题,提出一种三段式绕制磁集成技术,将磁件以解耦的方式集成在一副磁心中。该文首先建立集成磁件的磁路等效模型,通过抵消各绕组之间的耦合作用推导出解耦条件,并详细阐述了磁心的选取、匝数以及气隙的设计原则。其次,利用有限元仿真平台对所提集成磁件进行建模分析,与现有的集成方法相比,磁通密度分布更为均匀,磁心的利用率得到了有效提升。最后,搭建一台48 V/12 V、108 W的实验样机,体积和重量同分离磁件相比降低了31.2%和25.3%,提高了系统的功率密度,验证了该集成方法理论分析的正确性和可行性。

开关变换器中阵列式平面集成磁件的磁集成研究

阵列式磁芯结构使矩阵变压器具有多个磁路,本文以矩阵变压器的多磁路为基础,从磁路和电路的结合出发,提出在矩阵变压器上通过电路的有效组合并利用解耦集成方法集成电感,形成阵列式解耦集成磁件基本单元,并从整体磁路的角度分析了其解耦集成原理,给出其基本单元等效电路并进行了仿真。通过将该解耦集成磁件平面化,形成了阵列式平面集成磁件。将阵列式平面集成磁件应用到带变压器隔离的Cuk变换电路的实验研究表明,阵列式平面集成磁件的平面化和阵列式结构使其达到了轻、小、薄的目的,并降低了损耗,并证明本文提出的阵列式平面集成磁件具有良好的性能。

EIE型磁集成谐振电感器在双向LLC谐振变换器中的应用

磁性元件已经成为制约开关电源发展的主要因素之一,为满足新一代变换器高传输效率、高功率密度和能量双向流通的发展要求,针对双向LLC谐振变换器,提出一种EIE型磁集成结构,采用解耦集成的方式将原、副边谐振电感集成到一起。将EI型结构与其进行对比,仿真分析和实验表明:该结构磁密、磁位分布均匀,抗饱和能力强,电感因数大,损耗小。将其应用到双向LLC谐振变换器中,具有提升功率密度及效率高等优势。

磁集成双Buck/Boost-LLC三端口DC-DC变换器

针对多端口变换器一直追求高效率和高功率密度的问题,提出一种磁集成双Buck/Boost-LLC三端口DC-DC变换器。研究全桥LLC谐振变换器的基础上,在一次侧谐振腔两端引入两磁性电感元件,通过逆变桥开关管的复用集成了一个交错并联双向Buck/Boost变换器,减少了功率器件数量;同时,采用磁集成技术将两个交错并联Buck/Boost电感反向耦合集成,实现两相电路均流,并与LLC的谐振电感解耦集成,提高了功率密度。变换器在全负载范围内可实现软开关特性。通过脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)进行控制,分析该变换器端口间不同功率流动下的工作原理、工作模态、直流增益特性,并对集成磁件进行设计,测得集成磁件体积较全分立磁件减小了38.66%。最后搭建一台300 W的实验样机系统,验证理论的正确性。

平面集成磁件在片式开关电源中的应用研究

将TOPSw itch单片精密开关电源中的高频变压器和滤波电感利用解耦磁集成方法集成在一起,推导了磁件等效电路,作了仿真验证。同时设计了集成磁件,并把集成磁件应用到TOPSw itch单片精密开关电源中作了实验验证。经计算,结果表明该集成磁件的可行性。

正激功率变换器的磁集成

正激功率变换器广泛应用于中小功率电源变换场合。磁集成技术有助于降低磁元件绕组电流纹波及器件开关损耗,提高电源效率。通过对磁芯内部磁通有效合成,可减小交流磁通和直流偏磁,降低磁元件体积和重量。这里比较了正激功率变换器中分立磁件、解耦集成磁件和耦合集成磁件,分析各自输出纹波电流与磁路磁阻的关系,建立了100 W原理样机,得出解耦与耦合集成磁件优缺点,为磁集成技术的推广应用提供了参考。

阵列式集成电感的研究与应用

从磁路出发,将传统的一幅磁芯进行分割,变成阵列式结构,提出了阵列式解耦集成电感。分析了解耦集成原理,推导了等效电路,进行了仿真验证。并把阵列式集成电感应用于Cuk变换器,实验表明阵列式集成电感和多个分立电感一样具有相同的性能。最后给出了阵列式集成电感平面化方案,使阵列式集成电感达到了轻、小、薄的目的,同时阵列式及平面化结构有利于集成电感的散热,降低了阵列式集成电感的损耗。

一种耦合电感增压直流变换器及其磁集成研究

为了解决光伏发电输出电压较低的问题,引入一种类型的耦合电感倍压单元,提出一种新型变换器拓扑结构。分析了变换器的工作原理,给出了电压增益、电压应力和临界等效电感时间常数的表达式。与传统Sepic变换器和其他Sepic变换器相比,所提出的变换器升高了近7倍电压增益,与此同时,开关管电压应力较低。并运用解耦磁集成的方法,在传统E-E型磁心的启发下,提出了一种新型4-U型磁心结构,其磁通密度分布更加均匀,且使得磁集成后的集成磁件体积更小,也有利于散热。试验样机测试表明,变换器效率达到93.9%,所测得试验波形符合理论分析。

谐振开关电容变换器磁集成电感设计

谐振开关电容变换器(SCC)因可实现零电流开关、减小开关损耗和提高功率密度而广泛应用于数据中心、电动汽车等高功率密度和增益比场合,电感元件作为其重要组成部分是影响变换器提高性能的关键因素。为解决变换器前后级谐振电流不等而导致的解耦困难问题,该文设计一种中柱不开气隙的解耦磁集成电感。在研究电路工作原理的基础上,通过对偶分析法分析并与耦合磁集成相比得出,中柱不开气隙的解耦磁集成方法电感耦合度更高、且能够实现两级解耦。变换器谐振参数不对称会导致前后级谐振周期不一致,该文采用完全对称绕组以降低绕组对磁性参数的影响,保证多个电感参数的一致性。最后制作实验样机,验证了所设计的谐振SCC磁集成电感的合理性和有效性。

磁集成LCL在三相VIENNA整流器中的应用

LCL滤波器因其能有效减小高频谐波而被广泛应用于整流器和逆变器之中,但传统LCL滤波器中2个独立的电感需要用独立的磁芯进行绕制,不符合电力电子设备不断小型化的趋势。为减小电感体积、提高功率密度、实现电源设备的小型化,采用解耦磁集成的方法,将传统LCL滤波器中的2个分立电感设计成一个集成电感。分析了电感的磁通、磁阻等,对其进行了数学建模,并通过仿真验证了其可行性。由于磁芯材料的限制,2个电感之间不可能完全解耦,这会影响集成LCL滤波器的滤波特性;但通过合理的设计,可将耦合作用限制在可接受的范围内,保证其滤波特性。最后,通过试验验证了磁集成LCL滤波器的有效性。