一種應(yīng)用于交錯(cuò)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(fù)載需求和分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展，開(kāi)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(gè)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(kāi)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(hào)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(jì)帶來(lái)了麻煩。

交錯(cuò)運(yùn)行技術(shù)與并聯(lián)運(yùn)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(yùn)行技術(shù)的控制信號(hào)是同步的，而交錯(cuò)運(yùn)行的控制信號(hào)是交錯(cuò)的。所謂交錯(cuò)是指并聯(lián)各單元的工作信號(hào)頻率一致，而相角相互錯(cuò)開(kāi)一定的角度φ。φ和變換器的并聯(lián)單元個(gè)數(shù)n有關(guān)系，一般φ=2π/n。所以此類(lèi)技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)變換器中，設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是控制電路的實(shí)現(xiàn)，不僅要實(shí)現(xiàn)均流控制，還要使并聯(lián)單元控制信號(hào)相角相差?，使紋波達(dá)到最小值。交錯(cuò)運(yùn)行變換器不但具有并聯(lián)運(yùn)行變換器的優(yōu)點(diǎn)，還能克服它的缺點(diǎn)，具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠減小輸入輸出紋波。

在開(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域中，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)之一是集成化，近年來(lái)人們對(duì)集成磁技術(shù)的研究越來(lái)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(dòng)態(tài)性能的重要研究方向。在DC/DC變換器中，為了存儲(chǔ)和傳遞直流功率，其磁件中一般都流過(guò)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?xì)庀兜母叽艑?dǎo)率的材料，但這會(huì)使磁芯的利用率降低，同時(shí)限制了磁件體積的減小。

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

交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)渚哂幸种戚敵鲭娏骷y波，降低輸出濾波器容量和擴(kuò)大系統(tǒng)輸出功率的顯著優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)減小每個(gè)并聯(lián)之路上的電感，可以顯著提高動(dòng)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(cuò)并聯(lián)Buck變換器的拓?fù)?，電感L1和L2反向耦合，L1=L2=L。該變換器中開(kāi)關(guān)管S1和S2導(dǎo)通觸發(fā)脈沖相差T/2，D相等，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)共有4個(gè)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(gè)磁芯構(gòu)成;四個(gè)繞組N1、N1′和N2、N2′成十字結(jié)構(gòu)，分別繞在相鄰兩個(gè)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(gè)磁芯材料及型號(hào)相同;

(2)對(duì)角磁芯材料或型號(hào)不相同。

2.1 陣列式集成磁件直流磁通的分布

在以下四個(gè)工作模態(tài)下，磁件直流磁通分布如圖3所示。

2.1.1 四個(gè)磁芯材料及型號(hào)相同

四個(gè)磁芯完全相同

式(2)表明在四個(gè)磁芯材料及型號(hào)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(duì)角磁芯材料或型號(hào)不相同

設(shè)1#和3#磁芯型號(hào)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(jiàn)，式(2)仍然成立，這表明對(duì)角磁芯材料或型號(hào)不相同時(shí)各磁芯中直流磁通仍然被完全抵消，即無(wú)直流偏磁。

2.2 陣列式集成磁件交流磁通的分布

在四個(gè)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(gè)磁芯材料及型號(hào)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(jiàn)，各磁芯中交流磁通變化相同，磁芯中無(wú)直流偏磁。

2.2.2 對(duì)角磁芯材料或型號(hào)不相同

仍設(shè)1#和3#磁芯型號(hào)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(jiàn)，由于磁導(dǎo)率不同，對(duì)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(wú)直流偏磁。

2.3 陣列式集成磁件漏感對(duì)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(shí)，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(dòng)態(tài)性能，由此可見(jiàn)，變換器的輸出性能依賴(lài)于耦合系數(shù)大小，式(6)表明，耦合電感漏感越小，耦合越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能越好;但式(5)表明，漏感太小，會(huì)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(guò)設(shè)計(jì)時(shí)采用不同的形狀的磁芯來(lái)得到不同的漏感;

(2)在磁芯間距之間加入磁片來(lái)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(gè)電感可以看成是四個(gè)磁芯分別形成的分立電感的組合，四個(gè)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(shí)驗(yàn)

本文利用電磁場(chǎng)仿真軟件Maxwell對(duì)四個(gè)磁芯材料及型號(hào)完全相同的集成磁件作了仿真驗(yàn)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(wú)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出電壓波形，其中輸入電壓為12.5V，開(kāi)關(guān)管觸發(fā)頻率為500kHz，占空比為0.3。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將陣列式耦合電感應(yīng)用于交錯(cuò)并聯(lián)變換器，詳細(xì)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(shí)分析了集成磁件漏感對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)用性。