无气隙可改变耦合度阵列式集成磁件在交错并联变换器中的应用

交错并联变换器动态和稳态特性与集成磁件的耦合系数大小有关.本文提出一种耦合度可改变的阵列式集成磁件,分析了在消除气隙的情况下可改变耦合电感耦合度的原理,给出了耦合度计算公式及集成磁件设计公式.利用有限元分析软件分析比较了阵列式集成磁件与传统磁心开气隙集成磁件的电感量、绕组损耗和磁心热损耗,结果表明阵列式集成磁件与传统磁心开气隙集成磁件相比具有诸多优点.样机实验表明,交错并联变换器动静态响应较好.     

无气隙可变耦合度的耦合电感研究

集成磁件的耦合度影响着交错变换器的稳态和瞬态性能。文中提出了可以改变耦合度的平面集成磁件,并分析改变电感耦合度的原理,给出了耦合电感耦合度数学表达式。利用磁场仿真分析软件对所提集成磁件进行了分析,结果表明磁件比传统集成磁件具有诸多优点。样机实验表明,交错变换器性能较好。     

一种新型单元耦合阵列化可变耦合度集成磁件的研究及应用

集成电感的研究对开关变换器实现小型化、轻量化具有重要意义,而且对变换器稳态和动态特性有显著改善,传统整体磁芯集成磁件存在设计复杂、成本较高、局部温升较高导致变换器损耗增加和效率降低等不足,该文通过对传统整体磁件进行等体分割,分析其磁路等效原理,提出一种单元耦合结构阵列式。分析了电感集成原理,给出了阵列式集成电感的单元位置拓扑和单元组合结构拓扑,并分析给出了自感互感单元匝比和磁阻比与电感耦合度的关系。通过耦合度范围对比,所提出的阵列式集成电感的集成耦合度与设计准则完全一致。建立了集成磁件仿真模型,仿真结果表明采用阵列式磁芯结构的集成耦合电感的两相电压调理模块(voltage regulating module,VRM)相比传统集成耦合电感具有更好的稳态特性和动态特性。设计耦合电感实验样机分别应用于两相交错并联双向DC-DC变换器和四相VRM,实验结果和仿真一致,证明了所提出的阵列式集成电感不仅具有实用性,而且比传统整体磁芯结构耦合电感具有更好的特性。     

平面VRM新型阵列结构高频磁集成研究

高频磁集成电压调理模块(VRM)的集成电感直接影响其稳态特征、效率和输出特性。以改善变换器高频特性、消除直流偏磁和对称化为研究目标,提出一种基于单元耦合磁芯及其柔性组合概念的新型矩阵式对称化高频集成电感。通过逆向推演拓扑复用原理,等效切割传统耦合电感磁芯及绕组,采用物理磁场和电气场、路相结合并融合磁路-电路等效对偶变换模型的多尺度分析方法,探究集成磁件可消除直流偏磁、可自由调节耦合度、可任意拓展集成相数的机理,推导出集成磁件高频对称化设计准则。最后设计两相和四相样机进行实验,证明该矩阵结构集成电感理论分析的正确性和应用于高频VRM的输出特性优势。     

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。     

三相“UⅢ”形无气隙可变耦合度耦合电感研究

为了适应多相交错并联磁耦合变换器对耦合电感的要求、降低磁件对其他元器件的电磁干扰,本文提出了一种适用于三相交错并联磁耦合变换器的"UⅢ"形并且可以改变耦合度的无气隙耦合电感结构。分析了其改变电感耦合度的原理,给出了相关磁芯设计的数学表达式,并通过有限元仿真和实验验证了所提"UⅢ"形耦合电感结构的有效性及其磁路模型的可行性。     

一种新型磁耦合高频交错型双向直流变换器

传统交错并联磁集成理论普遍存在多相耦合不平衡、耦合电感高频非对称化,以及随着工作相数增加、耦合度降低、高频不稳定等问题。基于柔性拓扑理论及电感复用原则,提出一种新颖的电感逐相首尾次序耦合的磁集成理论,通过将各相电感首尾次序相连、逐相耦合设计,构建出新型高频磁集成6相交错型双向DC/DC变换器,并推演出多相电感首尾次序逐相耦合的设计准则,提出一种单元耦合电感磁芯及其多自由度拓展的概念,设计出6相高频化阵列集成磁件。最后,设计耦合电感器样机及变换器进行了实验验证。     

多相电压调理模块的矩阵化多自由度耦合磁件

应用于多相电压调理单元(VRM)集成电感的合理设计影响和决定着其稳态和暂态性能,优化电感耦合度可同步改善VRM的稳态输出纹波和动态输出响应。通过建立电路方程推演出多相VRM耦合电感的等效稳态与暂态电感,获得多相VRM集成电感耦合度的设计准则。提出一种基于模块化耦合电感概念、可多自由度组合、可变耦合度的矩阵化耦合磁件。分析电感可消除直流偏磁原理,推演出阵列化耦合磁件的单元拓扑集成原理及其耦合结构多自由度组合演化规格,并推导单元耦合电感匝比、磁阻比荷电感耦合系数的关系曲线,实现集成电感可变耦合度设计。设计四相阵列式耦合磁件并应用于VRM进行测试,实验结果验证了阵列式耦合磁件设计准则的正确性及实用性。     

平面集成磁件在电源中的应用

在有源钳位正激变换器工作原理基础上,利用磁集成技术,将变压器与滤波电感集成在一个磁芯上,对该集成磁件进行了分析研究。通过电路和磁路推导,提出了该集成磁件的等效模型和设计依据。设计了特殊的磁芯和绕组结构,采用特殊磁性材料制作薄膜磁芯,实现集成磁件的平面化。采用有限元分析工具,对集成磁件进行仿真,得出了磁通密度的分布情况。在集成磁件模型基础上,对变换器进行仿真,得出了变换器的输出结果,实现了变换器的零纹波,验证了设计的正确性。     

磁集成开关电感Sepic变换器研究

为了提高传统非隔离变换器的电压增益、开关频率和功率密度,同时减小电感的电流纹波和变换器的体积重量,将磁集成开关电感技术应用到传统的Sepic变换器中,提出了磁集成开关电感Sepic变换器。采用开关电感结构替换传统Sepic变换器中的电感能够有效提高变换器的电压增益;采用磁集成技术能够减小变换器电感支路的电流纹波。通过模态分析推导获得了电压增益表达式,给出了电感耦合度的设计准则;分析了磁集成开关电感Sepic变换器的开关管电压应力,得出相应的结论;给出了磁集成开关电感Sepic变换器集成磁件设计方案及设计方法。最后通过PISM仿真系统和实验样机,对变换器进行仿真模拟实验验证,结果验证了理论分析的正确性。     

磁集成开关电感高增益级联Boost变换器

提出一种改进型具有开关电感单元的磁集成高增益级联Boost变换器,该级联变换器采用开关电感单元代替传统级联Boost变换器的储能电感并将电感进行耦合集成。改进后的变换器较传统Boost变换器的电压增益提高(1+D)~2/(1-D)倍,较传统级联Boost变换器的电压增益提高(1+D)~2倍,且电感电流纹波减小到其15%以下。通过分析变换器工作原理、推导出电压增益及等效电感的表达式,设计出耦合电感的集成方案,并利用仿真和实验验证了集成方案的正确性,可充分表明改进型级联Boost变换器具有更佳的工作性能。     

两相“IHHI”形耦合电感的设计与应用

为了适应多相交错并联磁耦合变换器对耦合电感的要求,降低耦合电感对其它元器件的电磁干扰,降低电感加工难度和材料成本,提高电感效率,提出了一种适用于两相交错并联磁耦合变换器的"IHHI"形耦合电感结构。分析了其改变电感耦合度的原理,给出了相关铁芯设计的数学表达式,并通过有限元仿真和实验验证了所提"IHHI"形耦合电感结构的有效性及其磁路模型的可行性。将"IHHI"形耦合电感用于交错并联磁集成双向DC/DC变换器,具有输出电压纹波小、电感电流波形平滑、毛刺少、开关管开通和关断时的电流尖峰小、效率高等优点。     

磁集成高增益Zeta变换器研究

针对传统升压变换器升压能力不足的问题,提出一种改进型磁集成高增益Zeta变换器。分析了该变换器的工作原理以及工作模态,推导了输出电压增益公式,分析了二极管、开关管、电容的电压应力,引入磁集成技术对电感进行耦合,减小了变换器体积和电感电流纹波。与传统Zeta变换器相比,电压增益提高了（3D+1）/D倍,电感电流纹波减小1/2。通过PSIM仿真软件对理论分析进行仿真验证,并制作实验样机对仿真和理论分析进行了验证。     

交错并联磁集成开关电感高增益Boost变换器的研究

为了提高传统Boost变换器的电压增益和暂态响应速度,同时减小电感支路的电流纹波和变换器的体积重量,将磁集成技术、交错并联技术以及开关电感和储能电容应用到传统Boost变换器中,提出了交错并联磁集成开关电感高增益Boost变换器。其中通过引用开关电感和储能电容可以使所提变换器的电压增益提高到传统Boost变换器的2倍;采用磁集成技术并合理设计耦合电感系数,不仅可以减小该变换器电感支路的电流纹波,还提高了系统暂态响应速度,减小了变换器的体积重量,从而提高变换器的电气性能。应用PSIM仿真软件对该变换器进行仿真,并制作样机对理论分析进行了实验验证。     

新型磁集成组合式Sepic变换器研究

为提高Sepic变换器的电压增益,同时减小电感电流纹波及变换器体积,研究了一种新型磁集成组合式Sepic变换器。将2组Sepic变换器结合在一起,提出组合式Sepic变换器的拓扑结构,并将其中2个储能电感进行磁集成。新型组合Sepic变换器具有较低的电感电流纹波,且其电压增益是传统Sepic变换器的2倍,在采用磁集成技术后,合理设计耦合系数,集成下的电感电流纹波明显减小。分析了该变换器的各项工作性能;应用PSIM仿真软件对理论分析进行仿真验证;最后制作实验样机对理论分析与仿真数据进行实验验证。     

交错并联磁集成开关电感/开关电容Cuk变换器

为了提高传统的Cuk变换器的电压增益、电压传输效率、输出电流纹波,同时减小电感支路的电流纹波和变换器的体积重量,将磁集成技术和交错并联技术应用到传统的Cuk变换中,提出了交错并联磁集成开关电感/开关电容Cuk变换器的拓扑。通过采用开关电感/开关电容结构替换传统变换器中的电感与电容的方式,采用磁集成技术并合理设计耦合电感间的耦合系数,能够减小该变换器电感支路的电流纹波、提高系统暂态响应速度、减小变换器的体积重量,进而提高变换器的电气性能。最后通过实验样机的结果验证了理论分析的正确性。     

一种高增益Cuk变换器

为了提高传统Cuk变换器的电压增益和变换器工作效率、同时减小电流纹波和变换器的体积重量。提出一种适用于光伏发电系统的高增益Cuk变换器。利用带有自举电容的开关电感单元替代传统Cuk变换器中的输入电感,并对开关电感单元与输出电感进行了磁集成。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;分析了二极管与开关管电压应力的大小,给出了电感耦合度的设计准则。给出了高增益Cuk变换器集成磁件设计方案,并给出了设计方法。与传统Cuk变换器相比,高增益Cuk变换器的电压增益提高了2倍。仿真与样机实验结果验证了理论分析的正确性,表明提出的高增益Cuk变换器具有优良的综合性能。     

隔离型开关电感Zeta变换器磁集成研究

为了提高传统非隔离变换器的电压增益、开关频率和功率密度,同时实现电气隔离、减小电感电流纹波和变换器体积重量,提出了一种磁集成开关电感隔离型Zeta变换器。该变换器中加入了变压器以实现电气隔离,用开关电感代替变换器中的储能电感,并对变压器和开关电感进行了磁集成。分析了变换器的工作模态,推导了变换器电压增益表达式;分析了电感电流纹波的大小,给出了该变换器的磁集成设计方案。与传统Zeta变换器相比,该变换器的电压增益提高了N(1+D)倍,开关电感电流纹波减小了近一半。样机实验结果表明具有开关电感的磁集成隔离型变换器具有优良的综合性能,验证了理论分析的正确性。