采用磁集成技术的多路输出变换器的研究

摘要

电源的小型化是当今电源设计的一个主流方向，人们通常采用提高频率的办法来减小电源中磁性器件的体积和损耗，但高频化的方法仍有一定的局限性。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，研究人员对变换器中的磁件作了大量的研究，提出了磁集成技术。磁集成技术是将变换器中的两个或多个分立磁件，如电感、变压器等，绕制在一副磁芯上，从结构上集中到一起。这样做不仅能够减小变换器的体积、重量，提高功率密度，通过恰当地设计还可以减小电流纹波、降低磁件损耗、改善电源动态性能，对提高电源的性能有重要意义。 本文首先对国内外磁集成技术的研究现状和应用作了概述，总结了适于磁集成的拓扑电路和每种电路适用的集成方式以及集成磁件的设计步骤和分析方法。 多路输出电源中，变压器有多个副边绕组，每条输出支路都有滤波电感。当这些磁性元件分立时，每一个元件都有一个磁芯，这样会占用较大体积。将磁集成技术运用在多路输出变换器中，通过每路输出电感的耦合，不仅可以减小电源体积，提高功率密度，还可以减小输出电流的纹波。 其次，针对两路输出正激变换器的拓扑电路，利用前面介绍的方法对其进行磁集成的设计，并给出了详细的推导过程，同时分析了集成磁件的等效电路和磁路。集成磁件绕组的排列方式是极为重要的，因为这关系到磁集成变换器的性能。文中给出了耦合电感的两种不同的集成方式，通过对比分析得知，两个输出支路上的滤波电感反向耦合可以减小输出电流的脉动，从而提高变换器的性能。 另外本文还介绍了电力电子中常用的磁性材料，这些知识有助于选择磁件的磁芯。 最后，根据电路的具体参数要求，设计出完整的两路输出磁集成变换器，并进行了仿真和实验。其实验证明，利用磁集成技术不仅可以减小变换器的体积，还有利于输出电流纹波的减小，具有很好的应用前景。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.2目前的研究动态和发展趋势

1.3本文的研究内容和结构安排

第二章多路输出DC-DC变换器

2.1多路输出DC-DC变换器常用的拓扑结构

2.2多路输出DC-DC变换器的调节方式

2.2.1耦合电感式调节

2.2.2加权反馈式电压调节

2.2.3磁放大器式

2.2.4同步整流器式

2.2.5 PWM-PD(pulse width modulation-pulse delay)多路输出DC-DC变换器

2.3耦合电感在多路输出变换器中的作用

2.3.1耦合电感的模型

2.3.2耦合电感对动态性能的影响

2.3.3耦合电感绕组间匝比关系

2.3.4耦合电感对输出纹波的影响

2.3.5输出电流零纹波的条件

2.3.6耦合电感对负载交错性能的影响

2.4本章小结

第三章电力电子中的磁集成技术与磁性材料

3.1电力电子中常用软磁材料

3.1.1对软磁材料的要求

3.1.2合金磁材料

3.1.3磁粉芯

3.1.4软磁铁氧体材料

3.2磁集成技术的简介

3.2.1磁集成技术的提出

3.2.2磁集成技术的定义和特点

3.3磁件集成的应用

3.3.1电感与电感的集成

3.3.2电感与变压器的集成

3.4集成磁件的设计步骤

3.5软磁材料的选用原则

3.6本章小结

第四章电力电子中磁芯材料与磁芯的工作状态

4.1集成磁件的分析方法

4.1.1集成磁件电路模型的建立方法

4.1.2磁集成对磁件的影响

4.2磁集成变换器的推导方法

4.2.1 ED.BLOOM提出的磁集成变换器的推导方法

4.2.2解耦集成法

4.3磁芯的工作状态

4.3.1 Ⅰ类工作状态-BUCK变换器滤波电感磁芯

4.3.2 Ⅱ类工作状态—正激变换器变压器

4.3.3 Ⅲ类工作状态—推挽型变换器中变压器

4.3.4 Ⅱ-Ⅲ类工作状态—磁放大器磁芯工作状态

4.4磁集成技术运用中可能存在的问题

4.5本章小结

第五章磁集成DC-DC多路输出变换器的研究

5.1引言

5.2两路输出的单端正激变换器

5.2.1单端正激(FORWARD)变换器的工作原理

5.2.2正激变换器的稳态等效电路模型

5.2.3副边整流电路原理分析

5.2.4单端正激变换器的基本关系

5.3磁集成的两路输出单端正激变换器

5.3.1磁集成变换器的推导

5.3.2集成磁件的等效电路

5.3.3磁集成变换器的磁路分析

5.3.4磁集成变换器的基本关系

5.3.5磁件设计依据

5.3.6小结

5.4磁集成变换器的设计

5.4.1主电路的设计

5.4.2集成磁件的设计

5.4.3控制电路设计以及补偿计算

5.5电路的仿真和实验

5.5.1仿真波形与分析

5.5.2实验波形与结果分析

5.6本章小结

第六章关于磁集成技术的几点总结

6.1磁集成技术的作用

6.2常用的磁件集成方式

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢