高功率密度直流变流器及其无源元件集成研究

论文摘要

随着信息产业的迅速发展,为电力电子行业带来巨大的市场,同时也对电力电子变流器提出越来越高的要求:更高的效率和更高的功率密度。为了提高变流器的转换效率,研究人员在以下几个方向开展了大量的工作:1.寻求更好的电路拓扑;2.开发性能更优的器件;3.使用性能更好的无源元件。为了提高变流器功率密度,主要有两种途径:1.提高开关频率;2.采用无源元件集成技术。在现在的直流变流器中,开关频率已经被推的越来越高。当开关频率越来越高之后,原来在较低频率时可以忽略的一些电路寄生参数开始变得不能忽略,因此同样可以采用无源元件集成技术,通过选择合适的材料、设计合理的结构把一些难以消除的电路寄生参数利用起来,让它们去实现部分电路参数,从而减轻或者消除寄生参数在高频时对电路正常运行的影响。谐振变流器可以实现开关管软开关,因此适于高频运行,而且还可以把一些电路寄生参数(如变压器漏感等)利用起来。LLC谐振变流器作为谐振变流器的一种受到的关注尤为广泛。本文提出了一种LLC谐振变流器的电路参数设计方法,先通过工作区域的选择和希望的工作频率范围来确定变压器匝比n和串联谐振频率f_o,然后定义了与电路参数相关的参数k和Q,通过研究参数k、Q对变流器电压增益、开关频率范围和效率的影响来确定它们的选取原则,参数n、f_o、k、Q确定后即可通过计算得到对应的电路参数。在LLC谐振变流器设计完成之后,本文提出了采用多层集成绕组(MultipleLayer Foil)实现LLC谐振变流器中无源元件集成的方法。LLC谐振变流器谐振回路中的无源元件包括:串联谐振电感、谐振电容、并联电感和变压器。并联电感可以采用变压器的激磁电感集成。串联谐振电感与变压器集成有两种方法:利用变压器漏感集成和采用共用部分磁路方法集成。谐振电容与变压器的集成可以采用本文提出的多层集成绕组来实现。在本文应用中,与集成前相比,完全集成的结构可以把谐振回路中无源元件总体积减小36%。本文还提出一种新型的软开关多路输出直流.直流变流器,采用两个不对称半桥电路来调节两路输出,然后利用两个不对称半桥电路之间的相移来调节第三路输出。所有的输出都可以独立控制精确调节,所以三路输出电压都有很好的精度。所有的主开关管都可以实现零电压开通,所以变流器可以以较高效率工作于较高开关频率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1.引言
• 1.1.1.高功率密度直流变流器的发展趋势及需求分析
• 1.1.2.无源元件集成
• 1.2.磁元件集成技术发展概况
• 1.2.1.解耦的磁元件集成方法
• 1.通过共用低阻磁路来实现解耦集成
• 2.通过磁通相互抵消来实现解耦集成
• 1.2.2.不解耦的磁元件集成方法
• 1.电感器与电感器集成
• 2.电感器与变压器集成
• 1.2.3.各种磁集成方案比较
• 1.3.磁元件与电容元件集成技术发展概况
• 1.3.1.电感器与电容器集成技术
• 1.用于谐振电路
• 2.用于EMI滤波器
• 1.3.2.变压器与电容器集成技术
• 1.3.3.电容器介质材料的选取
• 1.4.磁元件、电容元件及电阻元件集成
• 1.5.本文的主要工作
• 第2章 无源元件集成方案分析
• 2.1.磁元件分析及变换方法
• 2.1.1.磁元件分析方法
• 1 磁路-电路对偶变换法
• 2 回转器-电容模型
• 2.1.2.磁元件变换方法
• 1 叠加磁路法
• 2 合并磁路法
• 3 源转移变换法
• 2.2.磁元件与电容元件集成方案研究
• 2.2.1.计算磁元件绕组寄生电容
• 1 计算磁元件绕组层间电容
• 2 计算磁元件绕组总电容
• 2.2.2.利用磁元件绕组寄生电容来实现集成
• 2.2.3.利用特殊结构来实现磁元件与电容元件集成
• 2.3.本章小结
• 第3章 LLC谐振变流器电路分析设计
• 3.1.研究背景
• 3.2.LLC谐振变流器理论分析
• 3.2.1.交流等效电路
• 3.2.2.变流器工作过程分析
• 3.3.谐振回路中状态变量求解
• 3.4.LLC谐振变流器设计及仿真
• 3.4.1.变流器参数设计
• 1 设计变压器匝比n
• o'>2 设计串联谐振频率f_o
• 3 设计参数k
• 4 设计参数Q
• p的选择'>5 并联电感L_p的选择
• 3.4.2.Orcad Capture仿真结果
• 3.5.电压电流应力分析及器件选择
• 3.6.LLC谐振变流器中磁元件设计
• 3.6.1.串联谐振电感设计
• 3.6.2.变压器设计
• 3.7.LLC谐振变流器损耗模型
• 3.8.实验结果
• 3.8.1.效率
• 3.8.2.开关频率
• 3.8.3.实验波形
• 3.9.本章小结
• 第4章 LLC谐振变流器中无源元件集成设计
• 4.1.LLC谐振变流器中无源元件集成的设计方法
• 4.1.1.并联电感L-p与变压器T的集成
• s与变压器T的集成'>4.1.2.串联谐振电感L_s与变压器T的集成
• 1 采用变压器漏感来集成串联谐振电感
• 2 采用共用部分磁路的方法集成谐振电感
• 4.1.3.集成谐振电容设计
• 4.2.实验结果
• 4.2.1.无源元件集成的实现
• 1 集成并联电感的实现
• 2 集成串联谐振电感的实现
• 3 集成谐振电容的实现
• 4.2.2.六种不同集成情况简介
• 4.2.3.六种不同集成情况中无源元件总体积
• 4.2.4.六种不同集成情况效率及开关频率比较
• 4.2.5.采用损耗系数更小的电容介质材料
• 4.3.本章小结
• 第5章 多路输出直流-直流变流器电路设计
• 5.1.研究背景
• 5.2.多路输出变流器电路特性分析
• 5.3.多路输出变流器设计
• 5.3.1.变压器匝比设计
• 5.3.2.输出滤波电感设计
• 5.4.多路输出变流器工作过程分析
• 5.5.多路输出变流器软开关条件分析
• 5.6.多路输出变流器闭环控制设计
• 5.6.1.闭环控制设计
• 5.6.2.控制电路具体实现
• 5.7.多路输出变流器中磁元件设计
• 5.8.电压电流应力分析及器件选择
• 5.9.实验结果
• 5.9.1.软开关实验波形
• 5.9.2.输出电压调整率及效率
• 5.9.3.输入电压范围讨论
• 5.9.4.第三路输出变压器两端电压波形
• 5.10.多路输出变流器拓扑的延伸
• 5.11.本章小结
• 第6章 多路输出直流-直流变流器中磁集成设计
• 6.1.多路输出变流器中磁集成设计
• 6.2.实验结果
• 6.3.本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和录用的论文
• 附录A LLC谐振变流器软开关条件
• 附录B LLC谐振变流器中主开关管关断损耗
• 附录C 变压器漏感公式推导
• 附录D 由测量结果提取LLC谐振变流器电路参数
• 附录E 多路输出变流器输出电压公式推导
• 附录F 多路输出变流器滤波电感公式推导
• 附录G 多路输出变流器软开关条件推导
• 附录H 多路输出变流器输出电压公式修正（考虑占空比丢失及整流管压降等）
• 致谢