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高功率密度直流变流器及其无源元件集成研究

作　者: 张艳军
导　师: 徐德鸿
学　校: 浙江大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 磁集成无源元件集成 LLC谐振变流器软开关多路输出直流-直流变流器
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-33
  1.1.引言  11-12
    1.1.1.高功率密度直流变流器的发展趋势及需求分析  11-12
    1.1.2.无源元件集成  12
  1.2.磁元件集成技术发展概况  12-26
    1.2.1.解耦的磁元件集成方法  12-15
      1.通过共用低阻磁路来实现解耦集成  12-13
      2.通过磁通相互抵消来实现解耦集成  13-15
    1.2.2.不解耦的磁元件集成方法  15-24
      1.电感器与电感器集成  15-18
      2.电感器与变压器集成  18-24
    1.2.3.各种磁集成方案比较  24-26
  1.3.磁元件与电容元件集成技术发展概况  26-31
    1.3.1.电感器与电容器集成技术  26-29
      1.用于谐振电路  26-27
      2.用于EMI滤波器  27-29
    1.3.2.变压器与电容器集成技术  29-30
    1.3.3.电容器介质材料的选取  30-31
  1.4.磁元件、电容元件及电阻元件集成  31
  1.5.本文的主要工作  31-33
第2章无源元件集成方案分析  33-52
  2.1.磁元件分析及变换方法  33-43
    2.1.1.磁元件分析方法  33-41
      1 磁路-电路对偶变换法  33-38
      2 回转器-电容模型  38-41
    2.1.2.磁元件变换方法  41-43
      1 叠加磁路法  41-42
      2 合并磁路法  42
      3 源转移变换法  42-43
  2.2.磁元件与电容元件集成方案研究  43-51
    2.2.1.计算磁元件绕组寄生电容  43-48
      1 计算磁元件绕组层间电容  44-47
      2 计算磁元件绕组总电容  47-48
    2.2.2.利用磁元件绕组寄生电容来实现集成  48-49
    2.2.3.利用特殊结构来实现磁元件与电容元件集成  49-51
  2.3.本章小结  51-52
第3章 LLC谐振变流器电路分析设计  52-89
  3.1.研究背景  52-54
  3.2.LLC谐振变流器理论分析  54-59
    3.2.1.交流等效电路  55-57
    3.2.2.变流器工作过程分析  57-59
  3.3.谐振回路中状态变量求解  59-65
  3.4.LLC谐振变流器设计及仿真  65-76
    3.4.1.变流器参数设计  65-70
      1 设计变压器匝比n  66
      2 设计串联谐振频率f_o  66
      3 设计参数k  66-68
      4 设计参数Q  68-69
      5 并联电感L_p的选择  69-70
    3.4.2.Orcad Capture仿真结果  70-76
  3.5.电压电流应力分析及器件选择  76-77
  3.6.LLC谐振变流器中磁元件设计  77-80
    3.6.1.串联谐振电感设计  78-79
    3.6.2.变压器设计  79-80
  3.7.LLC谐振变流器损耗模型  80-85
  3.8.实验结果  85-88
    3.8.1.效率  85-86
    3.8.2.开关频率  86
    3.8.3.实验波形  86-88
  3.9.本章小结  88-89
第4章 LLC谐振变流器中无源元件集成设计  89-120
  4.1.LLC谐振变流器中无源元件集成的设计方法  89-98
    4.1.1.并联电感L-p与变压器T的集成  89-90
    4.1.2.串联谐振电感L_s与变压器T的集成  90-94
      1 采用变压器漏感来集成串联谐振电感  90-93
      2 采用共用部分磁路的方法集成谐振电感  93-94
    4.1.3.集成谐振电容设计  94-98
  4.2.实验结果  98-118
    4.2.1.无源元件集成的实现  98-105
      1 集成并联电感的实现  98-99
      2 集成串联谐振电感的实现  99-102
      3 集成谐振电容的实现  102-105
    4.2.2.六种不同集成情况简介  105-108
    4.2.3.六种不同集成情况中无源元件总体积  108-110
    4.2.4.六种不同集成情况效率及开关频率比较  110-115
    4.2.5.采用损耗系数更小的电容介质材料  115-118
  4.3.本章小结  118-120
第5章多路输出直流-直流变流器电路设计  120-156
  5.1.研究背景  120
  5.2.多路输出变流器电路特性分析  120-126
  5.3.多路输出变流器设计  126-128
    5.3.1.变压器匝比设计  126-128
    5.3.2.输出滤波电感设计  128
  5.4.多路输出变流器工作过程分析  128-133
  5.5.多路输出变流器软开关条件分析  133-134
  5.6.多路输出变流器闭环控制设计  134-141
    5.6.1.闭环控制设计  134-135
    5.6.2.控制电路具体实现  135-141
  5.7.多路输出变流器中磁元件设计  141-143
  5.8.电压电流应力分析及器件选择  143-145
  5.9.实验结果  145-155
    5.9.1.软开关实验波形  146-149
    5.9.2.输出电压调整率及效率  149-150
    5.9.3.输入电压范围讨论  150-153
    5.9.4.第三路输出变压器两端电压波形  153-155
  5.10.多路输出变流器拓扑的延伸  155
  5.11.本章小结  155-156
第6章多路输出直流-直流变流器中磁集成设计  156-161
  6.1.多路输出变流器中磁集成设计  156-157
  6.2.实验结果  157-160
  6.3.本章小结  160-161
第7章总结与展望  161-163
参考文献  163-171
攻读博士学位期间发表和录用的论文  171-173
附录A LLC谐振变流器软开关条件  173-177
附录B LLC谐振变流器中主开关管关断损耗  177-178
附录C 变压器漏感公式推导  178-180
附录D 由测量结果提取LLC谐振变流器电路参数  180-182
附录E 多路输出变流器输出电压公式推导  182-185
附录F 多路输出变流器滤波电感公式推导  185-188
附录G 多路输出变流器软开关条件推导  188-191
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)  191-197
致谢  197-198

高功率密度直流变流器及其无源元件集成研究

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