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直流—直流开关功率变换器磁集成关键技术研究

作　者: 卢增艺
导　师: 陈为
学　校: 福州大学
专　业: 电机与电器
关键词: 磁集成 DC-DC功率变换器交流绕组损耗近场耦合小信号建模
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

集成化是电力电子技术发展的趋势，磁集成技术是无源电力电子集成化研究内容的重要组成部分。论文对直流-直流开关功率变换器中磁集成关键技术进行深入研究，包括集成磁件的分析方法、磁集成正激变换器的零纹波设计、倍流整流变换器磁集成技术、多路交错并联开关变换器磁集成技术、多功能集成磁件绕组交流损耗的机理分析与建模、近磁场耦合利用与控制技术、磁集成开关变换器的小信号建模技术。在集成磁件的分析方法上，提出磁路-电路综合时域分析法，物理概念清晰，可以直观方便地建立电路和磁性元件磁路参数的接口关系，直接获得磁芯磁通和绕组电流波形，并以磁集成正激变换器为例作详细阐述。根据磁件集成方式的不同，磁集成正激变换器可分为两种。针对磁集成正激变换器一，从集成磁件等效电路模型的角度，分析了其输出电流纹波减小特点，提出了磁集成对电流纹波的转移作用，阐述零纹波设计对磁通分布和绕组交流损耗的影响。进一步地，对磁集成正激变换器二的工作原理进行分析，发现该集成方案在副边绕组匝数相等的情况下也可以获得输出电流零纹波性能，并通过实验加以验证。提出一种新型的倍流整流磁集成方案，将现有倍流整流变换器集成磁件中一电感绕组去除，可以有效地简化绕组布线，减小原、副边漏感，有利于提高电源效率和功率密度。发现现有倍流整流半桥变换器集成磁件是磁集成正激变换器中集成磁件在双端变换器的应用，这为开关变换器磁集成技术研究提供新的认识。进一步地，提出副边绕组匝比配置为2:1的改进设计，将磁路的工作气隙减少为一个，可以实现新方案机构稳定。同时，由于气隙扩散磁通影响的减小，绕组纹波电流的改善，改进设计带来磁集成倍流整流半桥功率变换器效率提升3.5%。分析耦合电感在两路电压调整模块的应用特点，建立耦合参数对支路电流纹波的影响关系，研究电流纹波减小特征，提出能够反映耦合电感复杂交流绕组损耗特征的新型双电阻模型。进一步地，针对反激变压器绕组的交流电感器分量损耗大的缺点，提出新型磁集成交错并联反激变换器，可以有效抑制电流谐波，减小绕组损耗和磁芯损耗，降低开关损耗，提高变换效率。对电压调整模块多个电感的空间磁场进行改造和利用，提出近场耦合磁集成新思路。采用简易磁路结构，构造复杂多磁路耦合电感，具有磁芯结构简单、实现方便等优点。进一步地，将近场耦合磁集成推广应用于倍流整流变换器中，可更好地理解现有集成磁件的工作机理，揭示不同磁集成方案间的内在关系。通过减小近场磁阻可以减小激磁电流产生的绕组交流损耗，减小磁芯损耗和开关损耗，提高功率变换器效率。最后，以不同集成磁件分析方法为基础，结合状态空间平均法，分别提出三种磁集成开关功率变换器小信号建模方法，对磁集成有源箝位正激变换器一和新型磁集成倍流整流变换器作了小信号建模，分析了磁集成对电路动态性能的影响，为这类变换器的动态特性研究和控制设计建立理论基础。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-34
  1.1 选题背景  11-12
  1.2 磁集成技术应用现状  12-26
    1.2.1 单端隔离变换器的磁集成技术  13-15
    1.2.2 双端隔离变换器的磁集成技术  15-18
    1.2.3 多路并联变换器的磁集成技术  18-24
    1.2.4 耦合电感实现电流纹波转移  24-25
    1.2.5 其它集成磁件构造技术及应用  25-26
  1.3 集成磁件分析和建模方法  26-32
    1.3.1 磁路-电路类比分析法  26-28
    1.3.2 磁路-电路对偶变换法  28-30
    1.3.3 回转器-电容类比变换法  30-32
  1.4 本文的选题意义和研究内容  32-34
    1.4.1 选题意义  32
    1.4.2 研究内容  32-34
第二章集成磁件的建模和分析  34-43
  2.1 磁路基本定律  34-35
  2.2 磁路-电路综合时域分析法  35-37
    2.2.1 交流磁通分析  36
    2.2.2 直流磁通分析  36-37
    2.2.3 开关换流分析  37
  2.3 正激变换器集成磁件分析和设计  37-41
    2.3.1 分析过程  38-40
    2.3.2 设计讨论  40-41
  2.4 本章总结  41-43
第三章磁集成单端正激变换器  43-60
  3.1 磁集成正激变换器一  43-50
    3.1.1 等效电路模型  43-45
    3.1.2 工作原理  45-47
    3.1.3 电流纹波讨论  47-48
    3.1.4 损耗分析  48-50
    3.1.5 小结  50
  3.2 磁集成正激变换器二  50-59
    3.2.1 等效电路模型  50-51
    3.2.2 工作原理  51-53
    3.2.3 电流纹波讨论  53-55
    3.2.4 损耗分析  55-56
    3.2.5 实验验证  56-58
    3.2.6 小结  58-59
  3.3 本章总结  59-60
第四章磁集成双端半桥变换器  60-79
  4.1 新型磁集成 CDR 变换器  60-72
    4.1.1 集成方案  60-61
    4.1.2 工作原理  61-65
    4.1.3 集成磁件等效电路  65-66
    4.1.4 集成磁件参数分析和测量  66
    4.1.5 副边绕组一匝的磁件设计  66-67
    4.1.6 实验验证  67-69
    4.1.7 集成磁件的延伸思考  69-71
    4.1.8 小结  71-72
  4.2 改进设计的新型磁集成 CDR 变换器  72-77
    4.2.1 存在问题及改进设计  72-73
    4.2.2 工作原理  73-75
    4.2.3 改进集成磁件的等效电路  75
    4.2.4 实验验证  75-77
    4.2.5 小结  77
  4.3 本章总结  77-79
第五章磁集成多路并联变换器  79-94
  5.1 两路 VRM 耦合电感研究  79-86
    5.1.1 电气参数和磁路参数的关系  79-82
    5.1.2 支路电流纹波消除机理  82-84
    5.1.3 VRM 耦合电感双电阻新模型  84-85
    5.1.4 小结  85-86
  5.2 新型磁集成反激变换器研究  86-92
    5.2.1 反激变压器绕组损耗机理和建模  86-87
    5.2.2 新型磁集成并联反激变换器  87-91
    5.2.3 推广应用  91-92
    5.2.4 实验验证  92
    5.2.5 小结  92
  5.3 本章总结  92-94
第六章近场耦合磁集成变换器  94-113
  6.1 近场耦合技术在 VRM 耦合电感应用  94-101
    6.1.1 近场耦合集成概念  94-95
    6.1.2 近场耦合电感结构及其电气参数推导  95-96
    6.1.3 近场耦合电感结构参数的影响  96-98
    6.1.4 多路近场耦合电感的实现方案  98-99
    6.1.5 实验验证  99-101
    6.1.6 小结  101
  6.2 近场耦合磁集成 CDR 变换器  101-112
    6.2.1 电路拓扑  101-102
    6.2.2 集成磁件的等效电路模型  102-104
    6.2.3 近场耦合集成磁件磁通分析  104-107
    6.2.4 仿真分析  107-110
    6.2.5 实验验证  110-111
    6.2.6 小结  111-112
  6.3 本章总结  112-113
第七章磁集成变换器小信号建模与分析  113-131
  7.1 基于磁路-电路对偶变换法的小信号建模方法  113-119
    7.1.1 小信号建模  113-117
    7.1.2 传递函数分析  117-119
  7.2 基于回转器-电容类比变换法的小信号建模方法  119-122
  7.3 基于磁路-电路综合时域分析法的小信号建模方法  122-124
  7.4 三种磁集成变换器小信号建模方法的比较说明  124-125
  7.5 磁集成有源箝位正激变换器的仿真验证  125-128
    7.5.1 输出电流纹波分析  125
    7.5.2 控制-输出传递函数分析  125-126
    7.5.3 仿真验证  126-127
    7.5.4 小结  127-128
  7.6 磁集成 CDR 变换器的建模和分析  128-130
    7.6.1 小信号建模  128-129
    7.6.2 控制-输出传递函数分析  129-130
    7.6.3 小结  130
  7.7 本章总结  130-131
结论及今后工作  131-136
  一、本文研究总结  131-134
  二、今后工作  134-136
参考文献  136-142
致谢  142-143
个人简历  143-144
攻读博士学位期间的研究成果及发表的学术论文  144-145

直流—直流开关功率变换器磁集成关键技术研究

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