一種應(yīng)用于交錯并聯(lián)DC／DC變換器的陣列式集成磁件

0 引言

隨著大功率負載需求和分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展，開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)的重要性日益增加。并聯(lián)系統(tǒng)中，每個變換器單元只分擔(dān)系統(tǒng)總電流的一部分，僅處理較小功率，降低了開關(guān)管的應(yīng)力;還可以應(yīng)用冗余技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。但由于其控制信號是同步的，所以總的電流紋波是各單元電流紋波同步疊加，這使得變換器總的輸入輸出電流紋波很大，給輸入輸出濾波器的設(shè)計帶來了麻煩。

交錯運行技術(shù)與并聯(lián)運行技術(shù)在應(yīng)用范圍和主電路結(jié)構(gòu)上基本是一致的，只是并聯(lián)運行技術(shù)的控制信號是同步的，而交錯運行的控制信號是交錯的。所謂交錯是指并聯(lián)各單元的工作信號頻率一致，而相角相互錯開一定的角度φ。φ和變換器的并聯(lián)單元個數(shù)n有關(guān)系，一般φ=2π/n。所以此類技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)變換器中，設(shè)計重點就是控制電路的實現(xiàn)，不僅要實現(xiàn)均流控制，還要使并聯(lián)單元控制信號相角相差?，使紋波達到最小值。交錯運行變換器不但具有并聯(lián)運行變換器的優(yōu)點，還能克服它的缺點，具有自身獨特的優(yōu)勢，能夠減小輸入輸出紋波。

在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域中，開關(guān)電源的發(fā)展趨勢之一是集成化，近年來人們對集成磁技術(shù)的研究越來越重視。磁集成技術(shù)是減小磁件體積和損耗以及提高變換器動態(tài)性能的重要研究方向。在DC/DC變換器中，為了存儲和傳遞直流功率，其磁件中一般都流過較大的直流偏置電流，在磁件磁芯中產(chǎn)生較大的直流偏磁，為了防止直流偏磁引起磁芯飽和，一般采用低磁導(dǎo)率的材料或者具有集中氣隙及分布氣隙的高磁導(dǎo)率的材料，但這會使磁芯的利用率降低，同時限制了磁件體積的減小。

1 陣列式集成磁件在交錯并聯(lián)DC/DC變換器中的應(yīng)用

交錯并聯(lián)拓撲具有抑制輸出電流紋波，降低輸出濾波器容量和擴大系統(tǒng)輸出功率的顯著優(yōu)點，通過減小每個并聯(lián)之路上的電感，可以顯著提高動態(tài)特性。

圖1是利用陣列式集成磁件構(gòu)成的雙通道交錯并聯(lián)Buck變換器的拓撲，電感L1和L2反向耦合，L1=L2=L。該變換器中開關(guān)管S1和S2導(dǎo)通觸發(fā)脈沖相差T/2，D相等，在一個開關(guān)周期內(nèi)共有4個工作模態(tài)。圖2為陣列式集成電感的結(jié)構(gòu)示意圖，磁路由1#、2#、3#、4#四個磁芯構(gòu)成;四個繞組N1、N1′和N2、N2′成十字結(jié)構(gòu)，分別繞在相鄰兩個磁芯的磁柱上，并且有N1=N1′=N2=N2′。N1和N1′繞組連接構(gòu)成電感L1的繞組ab;N2和N2′繞組連接構(gòu)成電感L2的繞組cd。

2 陣列式集成磁件消除直流偏磁分析

圖2所示陣列式集成磁件磁芯構(gòu)成可分為兩種形式：

(1)四個磁芯材料及型號相同;

(2)對角磁芯材料或型號不相同。

2.1 陣列式集成磁件直流磁通的分布

在以下四個工作模態(tài)下，磁件直流磁通分布如圖3所示。

2.1.1 四個磁芯材料及型號相同

四個磁芯完全相同

式(2)表明在四個磁芯材料及型號完全相同的情況下，各磁芯中直流磁通被完全抵消。

2.1.2 對角磁芯材料或型號不相同

設(shè)1#和3#磁芯型號完全相同，且較2#和4#磁芯具有高的磁導(dǎo)率，則

將式(3)代入式(2)可見，式(2)仍然成立，這表明對角磁芯材料或型號不相同時各磁芯中直流磁通仍然被完全抵消，即無直流偏磁。

2.2 陣列式集成磁件交流磁通的分布

在四個工作模態(tài)下，磁件中交流磁通分布如圖2所示。

2.2.1 四個磁芯材料及型號相同

各繞組磁通波形及磁芯中的磁通波形如圖4所示。從圖4可見，各磁芯中交流磁通變化相同，磁芯中無直流偏磁。

2.2.2 對角磁芯材料或型號不相同

仍設(shè)1#和3#磁芯型號完全相同，且較2#和4#磁芯具有高的磁導(dǎo)率。各繞組磁通波形及磁芯中的磁通波形如圖5所示。從圖5可見，由于磁導(dǎo)率不同，對角磁芯中交流磁通變化相同;但2#和4#磁芯磁通變化幅度小于1#和3#磁芯磁通變化幅度;磁芯中無直流偏磁。

2.3 陣列式集成磁件漏感對變換器輸出性能的影響

變換器一通道導(dǎo)通，另一通道續(xù)流時，電感電壓ui為

式(5)描述了變換器的穩(wěn)態(tài)性能，式(6)描述了變換器的動態(tài)性能，由此可見，變換器的輸出性能依賴于耦合系數(shù)大小，式(6)表明，耦合電感漏感越小，耦合越強，動態(tài)性能越好;但式(5)表明，漏感太小，會有較大的輸出紋波。

圖2所示陣列式集成磁件可以利用下面兩種方法調(diào)節(jié)電感L1和L2的漏感：

(1)通過設(shè)計時采用不同的形狀的磁芯來得到不同的漏感;

(2)在磁芯間距之間加入磁片來調(diào)節(jié)L1和L2的漏感。

3 集成磁件的等效電路

圖2陣列式集成磁件每個電感可以看成是四個磁芯分別形成的分立電感的組合，四個磁芯構(gòu)成四組耦合電感，集成磁件的等效電路是四組耦合電感連接，如圖6所示。

4 仿真與實驗

本文利用電磁場仿真軟件Maxwell對四個磁芯材料及型號完全相同的集成磁件作了仿真驗證。仿真參數(shù)如下：選擇UI10.5磁芯;各磁芯間距1mm;各電感端部電壓頻率為500kHz。圖7為磁件各繞組磁通波形，其中flux-L1U，flux-L1N，flux-L2L和flux-L2R分別為繞組N1，N1′，N2′，和N2′的磁通。圖8為各磁芯磁通波形，仿真表明磁芯中無直流偏磁。圖9(a)和圖9(b)分別為Maxwell軟件及利用Saber軟件使用圖6集成磁件等效電路仿真得到的電流波形，由于仿真漏感較小，電流紋波較大。圖10為圖2陣列式集成磁件構(gòu)成的兩相變換器實驗樣機輸出電壓波形，其中輸入電壓為12.5V，開關(guān)管觸發(fā)頻率為500kHz，占空比為0.3。

5 結(jié)語

本文將陣列式耦合電感應(yīng)用于交錯并聯(lián)變換器，詳細分析了集成磁件消除直流偏磁的原理，給出了磁件的等效電路，同時分析了集成磁件漏感對變換器輸出性能的影響，給出了集成磁件改變漏感的兩種方法。仿真及實驗結(jié)果表明了陣列式耦合電感集成磁件消除直流偏磁理論的正確性和實用性。