高功率密度直流变流器及其无源元件集成研究

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fo，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、fo、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（Multiple Layer 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。

目录

文摘

英文文摘

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

1.2.2. 不解耦的磁元件集成方法

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

1.3.2. 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

2.1.2. 磁元件变换方法

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

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

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Lp与变压器T的集成

4.1.2. 串联谐振电感Ls与变压器T的集成

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

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

致谢