（电力电子与电力传动专业论文）磁集成技术在倍流整流半桥变换器中的应用研究.pdf

华南理_ _ l = 人学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h em a g n e t i c s i n t e g r a t i o n ( m i ) t e c h n i q u e sh a v ea t t r a c t e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n s ，f o rt h ei n t e g r a t e dm a g n e t i c s ( i m ) c a nh e l pt or e d u c et h ec o r el o s s ， c o r es i z e ，r i p p l ec u r r e n ta n dt h et r a n s i e n tr e s p o n d sc o m p a r e dw i t ht h ed i s c r e t e m a g n e t i c s ( d m ) t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st og e n e r a l i z et h em ir u l e sa n d t o i m p r o v et h ep o w e rc o n v e r t e r sb yt h ea p p l i c a t i o no ft h ei mo nh a l fb r i d g et o p o l o g y w i t hc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e ra sw e l l f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ec o n c e p to fm it e c h n o l o g y ，r e v i e w st h e d e v e l o p i n gh i s t o r y o fm i t e c h n i q u e s ，g e n e r a l i z e s t h em a j o rr e s e a r c ho ni m t e c h n o l o g y 、t h ea p p r o a c h e s t o a n a l y z e t h e m a g n e t i c s a n dt h ed i f f e r e n ti m a p p l i c a t i o n s ，p o i n t so u tt h a tt h ea p p r o p r i a t ec h o i c eo ft h ei mi sc r i t i c a li nt h ei m a p p l i c a t i o n s s e c o n d l y ，t h eg e n e r a lp r o c e s so ft h ei ma p p l i c a t i o ni sp r e s e n t e di nt h et h e s i s t h es i m p l ea p p r o a c h e st od e r i v ei mc o n v e r t e r s - - - - d e c o u p l i n gi n t e g r a t i o na n dt h e u n i v e r s a le q u i v a l e n te l e c t r i c a lc i r c u i to ft h em a g n e t i c sa r ep r o p o s e d ，w h i c hs i m p l i f i e s s o m ep a r to ft h ew o r ki nt h ei ma p p l i c a t i o n s ，a n dh a v eb e e na p p l i e di nt h ef o l l o w i n g r e s e a r c hi nt h i st h e s i s t h i r d l y ，t h er e s e a r c ho nt h ei ma p p l i c a t i o n si sp e r f o r m e di nh a l fb r i d g et o p o l o g y w i t hc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e rc o n v e r t e ru s e di nl o wv o l t a g eh i g hc u r r e n ta p p l i c a t i o n m it e c h n o l o g yi sa p p l i e di nh a l fb r i d g ec o n v e r t e rw i t hc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e r ( s h b c d rc o n v e r t e r ) t oi n t e g r a t et h et r a n s f o r m e ra n dt h eo u t p u ti n d u c t o r sw i t hd c f l u xb i a s b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fd i f f e r e n ti ms t r u c t u r e s a n dt h e i re q u i v a l e n tc i r c u i t sa n de q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t s ，c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r s t h a ta f f e c tt h ec u r r e n tr i p p l e sa n do t h e rp e r f o r m a n c e ，t h ea p p r o p r i a t ei mi sc h o s e n t h e o r yr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m s h b c d rc o n v e r t e ri ss u p e rt od m s h b c d r c o n v e r t e ri nc o r es i z ea n dc o r el o s sr e d u c t i o n ，a n dt h ec u r r e n tr i p p l er e d u c t i o na sw e l l s i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew i t ht h et h e o r ya n a l y s i s f i n a l l yt h r e e1 0 0 w ( 3 3v 1 3 0 a ) s h b c d rp r o t o t y p e sa r eb u i l tf u r t h e rp r o v i n gb ya p p r o p r i a t es e l e c t i o no fi mc i r c u i t s ， t h ei mt e c h n o l o g yc a nh e l pr e d u c i n gl o s s e sa n di m p r o v i n gt h ec u r r e n tr i p p l e sa n d e f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e t h ef e a s i b i l i t yo fi mc o n v e r t e r sa r ep r o v e d ，t o o f i n a l l y ，h o wt ou s et h ei mt e c h n o l o g y ，t h ec o m m o n l yu s e da p p r o a c h e si nt h ei m a p p l i c a t i o n sa n dt h eu s u a lm ir u l e sa r eg e n e r a l i z e d ，w h i c hw i l lh e l pt o t h ef u r t h e r r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h em it e c h n o l o g y k e y w o r d s ：m a g n e t i c si n t e g r a t i o n ，i n t e g r a t e dm a g n e t i c s ，h a l f b r i d g ec o n v e r t e r w i t hc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密酲。 ( 请在以上相应力。框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 琮结秒 2 按冬 日期：d j 年月，e t 1 g l ：疗年月( e t 第一章绪论 第一章绪论 摘要：磁集成技术的应用研究是电力电子学领域内的一个重要研究方向。本章介绍目前国 内外磁集成技术的研究状况，总结在多种场合应用磁集成技术的方法，同时介绍本文的研究 意义和研究内容。 1 1 磁集成技术发展概况 1 1 1 磁集成技术简介 信息产业的迅猛发展，不仅为电源行业提供了巨大的市场和快速发展的动力， 同时也对电源装置的体积、重量、效率、输出动态性能以及系统的可靠性等提出 越来越高的要求。磁性器件( 简称磁件) ，如变压器、电感，是开关电源的重要组成 部分，它是完成能量储存与转换、滤波和电气隔离的主要器件。磁件的相关技术的 研究越来越受到人们的关注1 2 1 。 磁件对变换器整体性能的影响主要有以下几个方面： 磁件是影响变换器体积、重量的主要因素b ：根据统计，磁件的重量一 般是变换器总重的3 0 4 0 ，体积占总体积的2 0 3 0 ，对于高频工作、模块化设 计的电源，磁件体积、重量所占的比例还要高于上面给出的数据； 磁件参数的选取( 指输出滤波电感的大小) 直接影响电源的输出电流脉动 和输出动态性能； 磁件的损耗影响变换器的效率2 】； 磁件的寄生参数对开关管的电压、电流应力有很大的影响。 为了减小磁件的体积、重量，改善滤波性能，人们通常采用提高频率的办法， 但高频化的方法仍有一定局限性：一方面，频率的提高会受到整机效率的限制； 另一方面，为了减小磁芯损耗，磁芯高频工作时一般要降额使用，磁芯的利用率 不高，限制了磁件体积的减小。为进一步减小磁件的体积、损耗，同时保证变换 器的性能良好，研发人员对变换器中的磁件作了大量的研究j f 作，其中磁集成技 术的应用就是一个很好的例子。磁集成技术是将变换器中的两个或多个分赢磁件 ( d i s c r e t em a g n e t i c s ，d m ) ，如电感、变压器等，绕制在一副磁芯上，从结构上集 华南理工大学硕士学位论文 中在一起。d m 集中后的磁件被称为集成磁件( i n t e g r a t e dm a g n e t i c s ，i m ) 。为方便 起见，将采用d m 的变换器或电路简称为d m 变换器或d m 电路，相应有i m 变 换器和i m 电路。 采用磁集成技术能够减小磁件的体积、重量，有时还能减小电流纹波、降低 磁件损耗、改善电源动态性能，对提高电源的性能及功率密度有重要意义。 1 1 2 磁集成技术研究内容简介 磁集成技术的研究内容可分为两大类： 磁件的分析方法。磁件分析方法为研究磁件对电路性能的影响提供分析工 具。 具体应用。主要解决如何在具体应用场合发挥磁集成技术的作用。 1 2 磁件的主要分析方法以及磁集成对磁件的影响 磁件分析所采用的基本原理是磁路的基本定律及电磁感应定律。为了分析磁 件对电路的影响，一般需要建立磁件的等效电路，其主要方法是磁路一电路对偶变 换法。另外，磁件分析中常常要对磁件做等效变换，等效变换的主要方法是源转 移变换法。这两种方法在第二章将结合实际应用具体介绍。 根据电磁感应定律及磁路的基本定律，可分析磁集成对磁件的影响： 磁集成前后绕组匝链的交变磁通一般不变。根据法拉第电磁感应定律可 知：绕组匝链的交变磁通由绕组匝数和绕组两端电压决定，与磁芯无关。因此， 绕组匝数不变、端电压不变时，磁集成前后绕组匝链的交变磁通不变； 磁集成前后绕组的电流脉动可能会变化。根据磁路欧姆定律可知，对于 d m ，绕组匝链的交变磁通完全由对应绕组的电流脉动决定；对于i m ，由于磁通 相互耦合，绕组匝链的交变磁通由磁件中所有绕组的电流脉动共同决定。虽然磁 集成不会改变绕组匝链的交变磁通，但改变了交变磁通与绕组电流脉动的关系， 所以会改变绕组的电流脉动。进行磁集成的应用时必须考虑磁集成对绕组电流脉 动的影响。 1 3 磁集成技术的具体应用 实现多个磁件集成，一般要求磁芯具有多条磁支路，这样才能将多个交变磁 2 第一章绪论 通不一定相同的分立的磁件集成起来。根据获得多条磁路的方法，可将磁集成技 术的应用分为两大类：改变磁芯结构，人为得到多个磁支路，实现磁件集成； 不改变原有磁芯结构，充分利用某些磁芯多磁路的特性( 如e 1 、e e 型磁芯) 进行 集成。下面介绍这两种集成的应用。 1 3 1 不改变原有磁芯结构的磁件集成 目前，大部分磁集成的应用属于这一类，本节将详细分析、介绍该类磁集成 技术的应用研究内容。文中将按照磁集成对象的不同介绍两种主要的磁件集成应 用：电感+ 电感、电感+ 变压器。 1 3 1 1 电感与电感的集成 电感与电感集成就是通常讲的耦合电感。根据电感绕组电压之间的关系可分 为绕组电压成比例和绕组电压相位交错两种。 1 绕组电压成比例 绕组电压成比例的耦合电感主要用于减小电流 脉动。 减小电流脉动的原理和零纹波条件 先用互感表征的耦合电感模型简要说明耦合电 感减小电流脉动的原因。如图l 一1 所示，l l 、l 2 为 耦合电感两个绕组的自感，互感为m ，绕组两端的 图1 ，1 耦合电感模型 电压分别为u 。、“z ，“”表示绕组同名端，根据耦合电感的特性有： 地：l 堕+ m 1 1 出 “，：l 堕+ m 出 显然，由于互感的分压作用，可减小加在自感上的电压，从而能减小电流纹 波。需要说明，互感的引入并不总能减小自感上的电压，只有按照图l l 来设置 同名端，保证电感与电感正向耦合，才能减小电流纹波。 将式( 1 1 ) 看作图1 1 所示二端口网络的z 参数方程，相应可变换得到其y 参数 方程： 3 堕如堕出 华南理工大学硕士学位论文 鼢批一m ： m 2 ， 4 第一章绪论 具体电路，对比两种集成方式的不同。主要比较内容包括：两种集成方式对磁 芯各部分磁通的影响；两种集成方式对电路性能主要是绕组电流脉动的影响。 疆f ：鼹 两种磁集成方式对磁芯磁通的影响 分析磁件对电流脉动的影响一般要结合具体电路，所以本节只结合图l 一3 分 析两种集成方式对磁芯中磁通的影响。图1 - 2 中，v l 、”2 、i i 、i 2 分别为电感l l 、 l 2 的电压、电流，l 、2 为l l 、l 2 的绕组匝数，庐1 、咒、咖2 、冕、毋。咒分 别为磁件三个磁柱的磁通和所经磁路的磁阻。 ( 1 ) 不同集成方式对磁芯交变磁通的影响 根据电磁感应定律可知，两种集成方式磁芯侧柱的交变磁通毋训、毋跏相同， 且曲训、西c 2 之间的相位差与1 ) 1 、v 2 l 。静 电j 盘 间的相位差相同。采用正向耦合方式， 中柱的交变磁通妒= 庐训一曲棚； 采用反向耦合方式，则有西= 庐 引+ 庐m 。实际应用中，v l 、”2 问一般 相差1 8 0 。，则两种集成方式中柱交 变磁通的对比如图1 4 所示。由图中 可知，采用反向耦合方式，磁芯中柱 的交变磁通明显小于采用正向耦合方 式。 ( 2 ) 不同集成方式对磁芯直流磁通的 影响 l 绕组 电压 侧壮交 业磁通 反向耦台 中柱交变 磁通 正向耦台 中柱交变 磁通 5 v 厂、 l _ 二 v ：厂厂 _ j _7 入八八 夕 4 0 c - + 啦；、 、夕 p 一刀。 vvv 图1 3 两种集成方式对交变磁通的影 f i 9 1 - 3 i n f l u e n c eo ft w ok i n d so f i n t e g r t i o n so na cf l u x e s 华南理工大学硕士学位论文 根据磁件的等效磁路( 图1 5 ) 可得到磁芯中的直流磁通表达式，如式 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ，其中，用下标“出”表示磁通及电流的直流分量。 墨 ( a ) 正向耦合方式( b ) 反向耦台方式 ( a ) p o s i t i v ec o u p l i n g( b ) n e g a t i v ec o u p l i n g 图1 4 两种集成方式耦合电感的等效磁路 f i g1 4e q u i v a l e n tm a g n e t i c sc i r c u i to ft h ec o u p l i n gi n d u c t o r so ft h et w o k i n d so f i n t e g r a t i o n s 对于正向耦合方式有： 对于反向耦合方式有 妒。o l - 半”竿 d c 2 = 竿+ 掣1 3 ： ( 1 - 6 ) 凸 铲t n l 吼2 一竿 驴半订孥鸣。 九：= 一竿+ 2 ( 吼。+ 吼1 ) 铲竿+ 孥吨： ( 1 7 ) 其中， a = 吼l 吼2 + 9 1 l 吼3 + 吼2 吼3 ( 1 8 ) 对比式( 1 - 6 ) 、式( 1 7 ) ，叫知：反向耦合方式磁芯侧柱的直流磁通分量小于正 向耦合方式；正向耦合方式磁芯中柱的直流磁通分量小于反向耦合方式。 ( 3 ) 总结以上分析，可知： 采用反向耦合方式有利于减小磁芯侧柱的直流磁通分量； 采用正向耦合方式有利于减小磁芯中柱的直流磁通分量。实际电路中，通 常有：。= 2 、蜀= 咒、i d c l = i 抛，这时，采用正向耦合方式，磁芯中柱的直流磁通 分量为零； 6 第一章绪论 采用反向耦合方式有利于减小中柱的交流磁通分量，相应会减小铁心损 耗。 1 3 1 2 电感与变压器的集成 电感与变压器集成被应用于多种隔离型变换器，以减小变换器中磁件的体积、 损耗：还可用于非隔离型变换器，以调节输入输出关系，优化变换器的性能。 1 应用于隔离型变换器 本节对电感与变压器集成的应用电路、i m ( 电感+ 变压器) 中磁通的作用方 式、i m 的变换方法以及i m 选取应注意的问题进行总结。 a 电感与变压器集成的应用电路 电感与变压器集成被应用于多种隔离型变换器，这类i m 的应用电路较多， 主要有i m 正激变换器】、i m 推挽变换器 1 1 , 1 2 、多种i m c d r 电路1 4 1 以及i m b o o s t 单级功率因数校正电路2 0 1 。 b i m 中磁通的作用方式 根据i m 中磁通的相互作用，可将现有电感与变压器的集成分为两类： 直流磁通与交流磁通叠加。如i m 正激变换器、i m 推挽变换器及i m b o o s t 单级功率因数校正电路等。这主要适用于高频场合。受到磁芯损耗限制，高频时 磁芯的交变磁密取的较小，降低了磁芯利用率。通过磁件集成，将电感绕组产生 的直流磁通耦合到变压器的绕组中，提高磁芯利用率，能够有效的减小磁件的体 积。 交流磁通在公共磁柱互相削减。如改进的i m c d r 电路等1 】，降低了磁芯 中柱的交变磁密，相应能减小磁芯损耗。 c i m 的变换方法 在电感与变压器集成的应用中，经常要变换得到多种i m ，变换方法主要有3 种： 用源转移等效变换方法拆分绕组； 根据具体电路进行绕组合并； 改变i m 的绕组连接方式，实际上是改变绕组同名端，从而改变磁通的耦合方 式。 7 华南理工大学硕士学位论文 d i m 的选取 一 i m 的选取应根据具体应用场合，比较不同i m 对变换器性能主要是电流脉动 的影响以及对磁芯各部分磁通的影响，从而选择最利于改善变换器性能的i m 。比 较中既要考虑磁件的不同绕组连接方式对性能的影响，还应考虑不同的气隙设计 对性能的影响；由于是电感与变压器集成，还要考虑磁件绕组间漏感的影响。 2 应用于非隔离型变换器1 9 】 这类集成磁件实际上是耦合电感，考虑其实现了滤波和调压的作用，将其并 入电感与变压器集成这类。目前，被广泛应用于+ 1 2 v 输入的v r m 变换器。 ( a ) 加入变压器的b u c k 变换器( b ) 采用耦合电感的b u c k 变换器 ( a ) t h eb u c kc o n v e r t e rw i t ha d d i n gt r a n s f o r m e r ( b ) t h eb u c kc o n v e r t e rw i t hc o u p l e di n d u c t o r 图l 一5 能调整输入输出关系的b u c k 变换器 f i g1 - 5t h eb u c kc o n v e r t e rt h a tc a na d j u s tt h ei n p u t o u t p u tr e l a t i o n 下面结合v r m b u c k 变换器来说明耦合电感的作用。要调整b u c k 变换器的 输入输出关系可在电路中加入变压器，如图l 一5 ( a ) 所示( 图中所示为降压变压器) ， 通过改变电感上的电压来改变输入输出关系。由于图1 5 ( a ) 中变压器原副边绕组 有两同名端短接，可以简化为自耦变压器；滤波电感l 与变压器绕组并联，可用 磁化电感代替；所以，将图1 5 ( a ) 中的变压器与电感进行集成，就得到采用耦合 电感来调节输入输出关系的b u c k 变换器，如图1 5 ( b ) 所示。令耦合电感的匝比为 竹：1 ，q 。的占空比为d ，电路工作在连续模式的输入输出关系为： 旦一 d v 。 n + ( 1 一n ) 。d ( 1 - 9 ) 由上式可知：当n = l 时，变换器的输入输出关系与传统b u c k 变换器相同； 当n 大于l 时，相同的输入、输出电压，变换器的占空比要大于传统的b u c k 变 换器；当n 小于i 时，同样的输入、输出条件，变换器的占空比要小于传统的b u c k 变换器。 将耦合电感应用于1 2 v 供电的v r m b u c k 变换器，来提高电路稳态工作的占 8 第一章绪论 空比，能明显改善变换器的性能：提高变换器的动态特性；减小电感电流脉 动；减小变换器上管的关断损耗( 对应图1 5 中的q - ) 和下管的导通损耗( 对应图 1 5 中的q 2 ) 。 然而采用耦合电感调整输入输出关系也会带来新的问题，如果电感耦合不好， 会在开关管关断时产生较大的电压尖峰。 1 3 2 改变磁芯结构的磁件集成 改变磁芯结构进行磁件集成的关键是如何得到多条磁路。总结相关的研究工 作，可将获得多磁路的方法分为两类：在磁芯中外加导磁体来获得多磁路； 通过现有磁芯的组合来获得多磁路。下面简要介绍这两种方法。 1 在磁芯中外加导磁体来获得多磁路2 0 】 c h a r l e ss w a l k e r 是此类磁集成方法较早的提出者和应用者20 1 ，通过在罐型磁 芯的中部加入一片导磁体，将罐型磁芯分为上下两部分，使磁通分为三个部分， 从三条磁路流通。c h a r l e ss w a l k e r 利用新的罐型磁芯实现谐振变换器中电感和变 压器的集成。此外，c h a r l e ss w a l k e r 还将该方法进行推广：可以加入多个导磁体 以得到更多的磁路，实现多个电感和变压器的集成。 2 通过现有磁芯的组合获得多磁路2 1 】 a r k a d i yk a t s 等提供了另外一种获得多磁路的办法，两副磁芯被组合使用， 变压器的原边绕组绕在两副磁芯上，副边绕组仅绕在其中一副磁芯上，使变压器 的漏感集中到原边，并可通过调节磁心另一副磁芯的气隙来精确控制漏感的大小。 该方法设计的i m 在谐振变换器中得到成功的应用。 1 4 磁集成技术的研究重点和发展趋势 1 磁集成技术研究和应用的重点 根据前面的综述，可知目前磁集成技术的研究和应用主要集中在以下几个方 面： 耦合电感在多种电路的应用，以减小电流纹波； 新的适用于具体应用电路的i m 的研究。主要用于在对功率密度和瞬态性 能要求很高的场合，如v r m 变换器及应用于通讯领域的低压大电流电源模块。 9 华南理工大学硕士学位论文 2 磁集成技术应用盼关键 由前面的综述可以看出：磁集成技术的应用，关键要结合具体电路选择恰当 的i m ，以尽量提高电源性能。 3 磁集成技术的发展趋势 随着未来电源的发展 1 0 , 2 2 1 、新型磁性材料和磁芯m 2 1 的出现，对磁集成技术提 出更高的要求： 进一步拓宽磁集成技术的应用领域。既要扩大应用场合l o , 4 7 ，还要发掘 i m 的新功能。如文献【1 7 】利用i m 来实现半匝绕组。将其推广，可实现任意分数 匝的绕组。 研究适用于新的磁性材料与磁芯结构的磁集成技术。 1 5 本文的选题意义和研究内容 1 5 1 本文的选题意义 本文选题为“磁集成在半桥变换器中的应用研究”选题意义在于： 1 磁集成技术的应用研究是电力电子技术研究领域的一个重要方向。对变换 器的小型化、轻量化有重要意义，设计合理还能有效的改善变换器性能； 2 研究开关电源中磁集成技术的应用，能综合考虑电路和磁路特性，有利于 开关电源的整体优化设计。 1 5 2 本文的研究内容 本文主要结合典型电路一一半桥变换器，研究磁集成技术的应用，以利用磁 集成技术提高变换器的性能，同时总结磁件集成中应注意的问题，具体研究内容 分为以下几个部分： 1 第一章回顾了磁集成技术的发展历史，系统地总结了磁集成技术的研究内 容及磁集成技术在多种场合应用的方法，指出应用磁集成技术的关键是结合具体 电路进行i m 的选择。本章文献综述为课题研究提供了技术背景，论证了课题研 究的意义。 2 第二章介绍了磁件分析的常用方法，提出了由d m 变换器导出i m 变换器 以及建立磁件等效电路的新方法，该方法简单、实用，使磁集成技术研究中的相 应工作得到简化。 l o 第一章绪论 3 第三章结合低压、大电流输出的对称半桥变换( s y m m e t r i c a l h a l f b r i d g e c o n v e r t e rw i t hc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e r ，s h b c d r ) 研究磁集成技术的应用，实现输 出滤波电感和变压器的集成。主要进行i m s h b c d r 变换器的推导、分析、设计， 重点讨论i m 对电流脉动和磁件磁密的影响，结合具体电路指标，选择适当的磁 集成方案，证明磁集成技术有利于减小磁心体积和铁损。 4 第四章对d m s h b c d r 变换器及i m s h b c d r 变换器进行原理仿真研究 和磁场仿真，考察i m 变换器对电流脉动和磁件磁密的影响，并构造实际电路进 行实验验证，证明磁集成技术的作用的优越性和可行性； 5 第五章总结本文的研究工作，突出研究工作的贡献和创新点，并对未来的 工作进行展望。 1 6 本章小结 本章主要回顾了磁集成技术的发展历史，系统地总结和分析了磁集成技术的 研究内容以及磁集成技术在多种场合应用的一般方法。文中指出应用磁集成技术 的关键是结合具体电路选择恰当的i m 。本章的文献综述，为课题的研究提供技术 背景。 华南理_ 大学硕士学位论文 第二章分析i m 变换器的方法 摘要：本章首先介绍磁件分析的常用方法，为磁件等效电路的推导，磁件的等效变换提供 了工具。之后针对磁集成技术应用中通常要面临的两个问题：d m 变换器j i m 变换器的推 导，i m 等效电路的推导，本章提出比较简单、实用的推导方法，该方法可简化磁集成技 术研究中的部分工作。另外，本章还提出i m 变换器- d m 变换器的推导方法，为电路的综合 分析提供了新的思路。 2 i 磁件分析的常用方法 第一章中已经提到磁件分析一般要建立磁件的等效电路，建立等效电路主要 方法是磁路电路对偶变换法，另外磁件分析中常常要对磁件做等效变换，主要方 法是源转移等效变换法。下面将介绍这两种方法。 2 1 1 建立磁件等效电路的主要方法一一磁路一电路对偶变换法 磁路电路对偶变换法是根据磁件的磁路模型，通过对偶变换等方法导出磁件 的电路模型。由于对偶变换对建立磁件的电路模型超到关键的作用，称该建模方 法为磁路一电路对偶变换法。 建立磁件等效电路的过程大致分为四步： 第一步：根据磁路欧姆定律，得到磁件的等效磁路； 第二步：在等效磁路基础上，运用对偶原理，得到等效磁路的对偶图； 磁路对偶变换的方法与电路对偶变换的方法基本相同1 ，即将磁动势f 变 为磁通，磁通函变为磁动势，磁阻鬟变为磁导，串联与并联互换。对偶变换的目 的是将磁动势包含的f 与电路的电流i 、磁通函与电路中的电压v ( v = 妒) 建立联系。 第三步：对所得的对偶图进行尺度变换，得到电流、磁链的关系图，以便于 应用法拉第电磁感应定律得到等效电路； 第四步：根据法拉第电磁感应定律及变压器的阻抗变换原理，得到等效电路。 以图2 1 ( a ) 所示的磁件为例，简要说明整个推导过程。图2 一l ( a ) 中l 、2 、 n 3 、i i 、f 2 、i 3 、分别为n 6 、谢、盯绕组的匝数及电流，咒、冕、咒分别为三个磁 柱的磁阻，曲l 、莎2 、，为三个磁柱的磁通。与前面的叙述相对应，将磁件的推 1 2 第二章分析i m 变换器的方法 导过程分为4 步： 不考虑漏磁，根据图2 - 1 ( a ) 所示的参考方向，由磁路欧姆定律得到磁件 的等效磁路模型，如图2 一l ( b ) 所示； 根据对偶变换的原则由图1 2 ( b ) 所示的等效磁路可推得其对偶图，即图 2 1 ( c ) ； 不妨以口6 绕组为参考对图2 - 1 ( c ) 进行尺度变换，得到电流、磁链的关系 图，如图2 一l ( d ) 所示； 根据图( d ) 所示的电流、磁链关系，结合电感与磁阻的关系式、法拉第电 磁感应定律、理想变压器的电压电流关系，可变换得到磁件的等效电路模型，如 图( e ) 所示。等效电路中用“* ”表示各绕组的同名端。 在推导磁件等效电路的过程中，第二步和第四步变换的完成略显繁琐。 羁舀 一 ( e ) 磁件等效电路 ( e ) e q u i v a l e n tc i r c u i t 剀2 1 用磁路电路对偶变换法建立磁件等效电路的过程 f i g2 1b u i l d i n ge q u i v a l e n tc i r c u i to fm a g n e t i cc o m p o n e n t sw i t hd u a l i t yc o n v e r s i o no fm a g n e t i c c i r c u i t c i r c u i t 1 3 琶琶 华南理工大学硕士学位论文 根据磁件的等效电路图可知当c d 、e f 绕组开路，口西端的等效电感厶b 为： 铲可n i2 ，隆矧= n 1 2 m 击+ 期 陋， 将图2 1 中( a ) 与( b ) 作比较，可以看出：等效磁路拓扑结构与磁芯结构非常相似。 与一般电路相同，磁件的等效电路可以用于仿真研究【7 】。 用磁路一电路对偶变换法得到的磁件等效电路用电感和理想变压器来表征，与 常用的电路描述方法相同，便于将i m 电路与d m 电路进行比较。 2 1 2 磁件等效变换的主要方法一一源转移( s o u r c es h i f t i n g ) 等效变换 源转移等效变换是磁件变换常用的方法，其基本原理实际是磁路的等效变换。 以图2 - 1 所示的三绕组磁件为例进行说明。 ( a ) 三绕组磁件等效磁路( b ) 源转移等效变换后的磁路( c ) 等效变换后的磁件 ( a ) e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i to ft h r e e w i n d i n gc o m p o n e n t s ( b ) m a g n e t i cc i r c u i ta f t e r s o u r c es h i f t i n g ( c ) m a g n e t i cc o m p o n e n t sa f t e re q u i v a l e n tc o n v e r t i n g 图2 - 2 用源转移法等效变换三绕组磁什 f i 9 2 2e q u i v a l e n tc o n v e r t i n go ft h r e e w i n d i n gc o m p o n e n t su s i n gs o u r c es h i f t i n g 根据其等效磁路( 如图2 - 2 ( a ) ) 有： l 一贸l 破= 吼2 欢一n 2 i 2 = 吼3 珐一n 3 i 3 ( 2 - 2 ) 将中间支路的激励源| v ，- f ，去掉，则上式等效变换为式( 1 5 ) ，与图2 - 2 ( b ) 所示 的磁路相对应。 n 1 i 1 一吼1 瞻+ n 2 - i 2 = 吼2 晚= 吼3 如一n 3 i 3 + n 2 f 2 ( 2 - 3 ) 由图2 - 2 ( b ) ，得到新的等效变换后的磁件，见图( c ) 。变换后的磁件将原来绕 在中柱上的以绕组拆为两个串联绕组，分别绕在两个侧柱上，两个绕组匝数都与 原来的相同，绕组在各个磁柱产生的磁通方向不变。在源转移等效变换中，绕组 与磁通的匝链关系不变：c d 绕组原来与庐：匝链，变换后与( 破一珐) 匝链，而庐2 与( 破一缟) 相等。 1 4 第二章分析i m 变换器的方法 根据例子，可总结出厨源转移法变换磁件的具体做法：将绕组拆分串联移到 其它各个磁柱上，各绕组匝数与原来的相同，并且保证绕组在各个磁柱产生的磁 通方向不变，得到的磁件与原来磁件等效。 源转移变换法己被用于i m 正激变换器2 7 1 和i m c d r 电路的研究中” 。 2 2 研究i m 变换器的一般过程 i m 变换器的研究过程大致可分为三步： 第一步：由d m 变换器推导出多种i m 变换器，以供下一步i m 的选择； 第二步：结合具体电路，对比分析多种i m 方案，从中选出最能改善电路性 能的方案； 这一步是整个研究过程中最主要的工作，因为磁集成技术能否改善变换器性 能，关键是要选择合适的i m 。这一步的具体工作内容是：运用磁件分析方法，比 较不同绕组结构、不同气隙结构的i m 对电路整体性能的影响，完成方案选择。 同时，通过分析得到i m 各部分的磁通表达式，为磁件的设计提供依据。 第三步：完成i m 变换器的参数设计和硬件实现。 由上述可知，研究i m 变换器过程中，通常要面临的两个问题： 进行d m 变换器_ i m 变换器的推导； 在分析磁件对电路影响时通常要推导i m 的等效电路。 下面将提出推导i m 变换器的方法，然后提出i m 等效电路建立的简便方法。 2 3 推导i m 变换器的方法 很少有文献提供导出i m 变换器的方法，其中e d b l o o m 提出的i m 变换器的 推导方法是从分析磁件之问一般的磁通关系( 即毋n 毋l 、庐。的关系) 入手，通过 整合各时段的磁路结构来导出i m 变换器，比较繁琐、复杂。解耦集成方法则是从 最简单、最特殊的情况一磁件之间磁通解耦入手：先用低磁阻磁路的解耦集成方 法得到i m 及相应的i m 变换器；对中所得的磁件进行变换，得到多种磁集成方 案。下面先介绍解耦集成，然后以变换过程相对复杂的c d r 电路( 第一章中已定义) 为例说明以解耦集成方法推导i m 电路的过程。 华南理t 大学硕士学位论文 2 3 1 一种重要的集成方法一解耦集成 解耦集成，即原来的d m 集成后互相没有耦合作用。根据1 2 1 的分析可知 用解耦集成的磁件代替d m 基本不会影响电路性能。 解耦集成的方法主要有两种： 1 提供低磁阻磁路实现解耦m 1 ( 解耦集成方法拌1 ) 图2 3 说明如何运用这种方法实现两个电感的解 耦集成。图中- 、2 为电感绕组，分别绕在磁芯的两 侧柱上。由于磁芯中柱没有气隙，其磁阻远远小于开 有气隙的侧柱，所以j v l 、：产生的磁通经中柱形成回 路，互相之间基本无耦合。用类似的方法可以实现多 个磁件( 包括电感、变压器) 的解耦集成，如图2 4 当 图2 - 3 解耦集成方法# 1 用于两个电感集成 f i g2 - 3d e c o u p l i n gi n t e g r a t i o ni n i n t e g r a t i o no fi n d u c t o r s # 1 然，必须要提供一条独立、低磁阻的公共磁路，也就是说n 个磁件解耦集成需要 磁芯至少肘1 个磁柱。 这种集成方法基本不影响电路性能，但不同的集成方式会影响公共磁柱的磁 通。按照图2 3 流方向和绕组绕向，i 、2 产生的直流磁通在中柱方向相反，互 相抵消，有利于减小磁芯体积。 增加公共磁柱的磁阻，破坏其解耦作用，就得到有耦合的i m 。 蛔僵+ 斗醇一 图2 4 集成方法# 1 用于n 个磁件解耦集成 f i g2 4d e c o u p l i n gi n t e g r a t i o no fnm a g n e t i cc o m p o n e n t sw i t ha p p r o a c h # 1 2 通过完全抵消绕组间的耦合作用来解 f ， 耦隗3 7 1 ( 解耦集成方法 2 ) 王 图2 - 5 何运用这种方法实现两个电感的解 卜 电感2 一 耦集成。图中，电感1 绕在磁芯中柱，匝数为 半绕维 j v l ；电感2 由两个绕组串联绕在磁芯的两个侧 1 6 图2 - 5 集成方法# 2 用丁两个电感集成 f i g2 - 3 d e c o u p l i n gi n t e g r a t i o n i ni n t e g r a t i o no fi n d u e t o r s # i 第二章分析i m 变换器的方法 柱上，匝数分别为2 。、2 2 j 按照图中的连接方式，电感1 产生的磁通在磁芯左 侧柱与2 产生的磁通方向相反，而在右侧柱与2 2 的方向相同，电感2 的两个 绕组在中柱产生的磁通方向相反。如果能完全抵消两个电感间的磁通耦合，就实 现了两电感的解耦集成。 下面分析解耦的条件。如图2 - 5 令磁芯三个磁柱的磁阻( 包含磁芯与气隙磁阻) 分别为死、冕1 、冕2 ，根据图中所示的电流方向和磁件等效磁路可得出当电感1 流过电流i 1 时在电感2 中产生的磁链毋1 2 为： 护等等掣c 笔一等 陋4 ， 同样可得出电感2 流过电流i z 时在电感1 中产生的磁链庐2 l 为： 驴南等装罴笺 陋s ， 根据式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可得解耦集成的条件为： 墅：丝( 2 - 6 ) 吼2 2n 2 2 由( 2 6 ) 可知要完全抵消耦合作用，磁柱磁阻比值应与电感两个绕组的匝比相 同。对于通常用的对称结构磁芯，一般取n 2 1 = n 2 2 ，兜l - 冕2 ，这就是文献 7 】中提 出的方法。 令三磁柱的导磁面积分别为a l 、a z ，、a 2 z ，则满足解耦条件时，三磁柱的磁 通密度b l 、b 2 1 、b 2 2 分别为： 耻雨鑫糟舞投万 协7 ， 耻麟一雨再篾羔 = 黜+ 雨丽援熹 吼：) - a 吼2 2 ) 如2 f 2 _ 8 ) ( 2 - 9 ) 对于对称结构的磁芯一般有a 2 1 = a 2 2 ，霓1 - 冕2 ，根据式( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 可知，由 于中柱绕组的作用会使两侧柱磁芯的最大磁密有较大的差别，使磁芯的利用率降 低。对此，可以通过调整a z t 、a 2 2 来改进：增大磁密大的磁柱的导磁面积，减小 磁密小的磁柱的导磁面积，比如可将，2 移到磁芯中柱，将电感1 移到磁芯右柱 。改变导磁面积会影响磁阻问的关系，相应也要调整2 ，与2 ：的匝比关系。 1 7 华南理上大学硕士学位论文 根据相同的