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双向直流变换器非对称耦合电感对称化研究及通用对称耦合电感设计

2020-01-07 10:07:01 来源:电子变压器与电感网

传统并列式多相耦合电感器,因其自身磁芯的结构特点和集成方式,难以实现完全对称化耦合,制约着变换器性能提升。

交错并联型双向升降压,以其结构简单、控制简便、易于扩容、转换效率和功率密度较高等诸多优点被广泛用于电力电子系统,如燃料电池发电系统、新能源汽车车载电源系统,超级电容混合储能系统,航空航天电源系统等需要能量双向流动的场合[1-9]。随着电力电子系统功率等级提高,交错并联 双向 DC/DC变换  需要运行四相或四相以上才能满足更多应用场合的需求,工作相数的增加直接导致变换器的功率器件、尤其电感器数量成倍的增加,不仅恶化了变换器的重量、体积和成本指标,更严重制约着变换器实现轻、薄、小的设计目标。因此,很多学者研究将多相电感的磁集成技术引入交错并联拓扑,组成交错并联磁集成,不仅保留了多相交错并联变换器总输出电流纹波小,每相电流应力低的优点,而且直接减少了电感器的体积和数量,进一步改善了变换器效率、功率密度和制造成本。此外,多相电感的反向耦合技术,还能够抑制变换器相电流纹波,实现高动态响应输出,这些优点促使这一技术在电路中获得了广泛应用[10-16]

文献[17-20]研究将两相反向耦合电感应用于多相交错式电压调理模块中,变换器效率、功率密度和瞬态响应速度均得到大幅提升,上述方案说明采用传统的“U”型、“E”型、“I”型等标准化磁芯即可设计高性能的两相反向耦合电感器,成本低,易于实现产品化和大规模商业推广。然而,随着变换器耦合相数的增加,耦合电感器的实际设计中又面临着新的问题:采用商用标准化“UU”、“EI”或“EƎ”型磁芯只能设计两相反向耦合电感器,而设计三相或四相耦合电感器时,为实现多个绕组磁通反向交链,只能依据现有磁芯进行平面或立体组合,或通过开模定制技术,构造出新的所需磁路,从而实现多个绕组耦合集成,也因此,三相以上耦合电感器及其磁集成变换器普遍存在以下问题:1)成本高昂,设计方案复杂;2)磁芯中绕组过于集中,导致磁芯不易散热,磁芯无源损耗增加;3)电感高度突出,难以实现平面化,不利于产品化和商用推广;4)并列式多相耦合电感器,因其自身结构特点,各相磁路之间存在天然不平衡,无法实现完全对称化耦合,导致各相电压电流纹波存在较大差异,增加了变换器的损耗,降低其工作效率和实用价值,且高频时会产生严重的电磁干扰;5)采用多相全耦合电感器的轻载时无法实施切相控制,其硬开关属性导致轻载效率过低[21-27]

国内外已有的相关研究均致力于解决上述问题,尤其多相非对称耦合电感的对称化理论和设计方案,但效果都不甚理想。文献[28-30]分别给出了交错并联三相非对称和四相非对称耦合电感的设计准则。文献[31]基于现有多相耦合电感结构,进行了三相非对称耦合电感的对称化研究,提出一种立体式三相对称耦合电感器,但其结构复杂,各相间耦合系数不易控制,且立体式结构导致电感器体积较大,难以批量标准化生产,实用性大打折扣。文献[32]提出一种更对称的四相反向耦合电感器结构及其综合设计解决方案,具有较大的电感值和更协调的对称电感参数,提高了四相交错并联磁集成的电流特性和效率,然而其结构不具备拓展能力。其余文献所提出的多相对称反向耦合电感器同样存在结构太复杂,成本高昂的问题[33-37],且现有文献多涉及最多四相的耦合电感器研究,缺乏四相以上耦合电感的对称化研究,以及N相对称反向耦合电感器的通用设计准则和设计方案。综上,到目前为止,国内外相关文献均没有给出通用的多相非对称耦合电感对称化设计理论,也没能研究出结构简单、成本合理,且对称化程度高、一致性好、高可靠性的通用对称耦合电感器综合设计方案和实验解决方案,严重阻碍了高效率、高性能多相交错并联磁集成双向的应用和发展。

本文提出了衡量多相耦合电感之间耦合系数协调性和一致性的对称化指标,依此推导非对称耦合电感下等效稳态和暂态数学方程,分析各相耦合电感之间非对称度对变换器性能的影响,得出提高耦合电感对称度,可综合改善交错并联磁集成双向的电流纹波、动态响应和转换效率等性能,并进一步总结出多相对称化耦合电感的通用设计准则,为多相对称化磁耦合DC-DC变换器的设计提供了理论依据;针对实际设计高对称化多相耦合电感器时,其方案要同时兼顾设计精度和通用性,提出一种新型阵列式多相对称耦合电感器,该耦合电感设计方案可以推广到N相变换器,实用性较强;针对变换器采用多相全耦合电感时,无法实施轻载切相控制,轻载效率过低的缺点,研究了变换器对称耦合电感下的软开关实现条件,提高了磁集成变换器的轻载效率。实验证明了多相对称化磁集成理论的正确性和通用对称耦合电感设计方案的实用性和优越性。

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