输入串联正激变换器集成变压器多绕组耦合机制及其优化.pdf

第 卷第 期黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 年 月 .:/输入串联正激变换器集成变压器多绕组耦合机制及其优化常熠琛 解俊杰 孟 涛(黑龙江大学 机电工程学院 哈尔滨)摘 要:基于变压器集成的输入串联型变换器具有各串联电路自然均压、结构简单的优势 由于集成变压器各绕组间耦合参数的不同 可对变换器自然均压效果产生一定影响 以输入串联型正激变换器作为研究对象 针对集成变压器多绕组耦合参数对变换器输入均压效果的影响机制进行分析 总结出能提升输入均压效果的正激式集成变压器多绕组耦合参数优化方法 在理论分析的基础上 利用 建立输入串联变压器集成正激变换器模型 对分析内容进行仿真研究 仿真结果验证了理论分析的正确性及优化方法的可行性关键词:输入串联 变压器集成 多绕组耦合参数 正激中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金项目()黑龙江省自然科学基金项目()作者简介:常熠琛()男 硕士研究生 研究方向:高频功率变换技术:通讯作者:孟 涛()男 教授 博士 硕士研究生导师 研究方向:高频功率变换技术:引文格式:常熠琛 解俊杰 孟涛.输入串联正激变换器集成变压器多绕组耦合机制及其优化.黑龙江大学工程学报 ():.引 言由于电力电子器件的额定值(额定电压、额定电流)有限 施加在功率变换器中主要器件上的高电压应力问题 成为高压场合功率变换器设计的主要难题 设计者通常采用开关管串联技术、多电平功率变换技术、输入串联型功率变换技术解决功率变换器中主要器件的高电压应力问题 开关管串联技术可有效减小施加在开关器件上的电压应力 但采用此方法需要解决串联器件电压不均衡问题 需要外加辅助电路来实现串联器件均压 同时开关管串联技术无法降低功率变换器中除开关器件外其它主要器件(如功率变压器)的电压应力 多电平功率变换技术中以半桥型或全桥型三电平变换器最为常见 但在半桥型或全桥型三电平变换器中 施加在开关管上的电压应力仅能降低到输入电压的/并且随着电平数的增加 变换器结构变得十分复杂 输入串联型功率变换技术则为降低施加在变换器所有器件上电压提供了有效的解决方法 输入串联型功率变换器可分为输入串联输出并联()、输入串联输出串联()、输入串联输出独立()、输入串联变压器集成()型变换器通常适用于常规的中低压输出场合 型变换器则适用在输出电压较高的场合 此类变换器的研究重点是实现各串联电路的输入电压均衡 此外、型变换器还应分别实现输出电流均衡、输出电压均衡 为确保、型变换器的均压、均流效果 通常需要引入专门的均压、均流控制环节 使得变换器的复杂程度显著增加 降低了变换器运行的可靠性 因此 研究人员对能够实现自然均压、均流的、型变换器进行了研究 在这些变换器中 各串联电路采用相同占空比的工作模式 无需外加任何控制环节即可实现变换器的自然均压、均流 具有结构简单、工作可靠等优势 但由于变换器输出回路串、并联结构的限制 上述变换器并不适用于多输出场合文献、在传统、型变换器基础上提出了 型变换器 型变换器中各串联电路均有独立的输出回路 可用于多输出场合 此类变换器输入自然均压效果受输出侧影响较大 当各串联电路对应输出回路负载不同时 变换器的输入均压效果将显著变差 因此 型变换器通常应用在多路负载相同的场合 为了应对输出电路负载不同的情况 文献提出了一种采用相同占空比工作模式的 型变换器 该变换器采用正激、反激拓扑 通过集成变压器原边绕组的耦合作用实现输入自然均压 且变换器的多路输出是通过增加副边绕组的数量实现 输出侧不对均压效果产生影响 结构简单、工作可靠 非常适合在高输入电压、中小功率场合应用文献对采用正激、反激拓扑的 型变换器的输入自然均压过程进行详细分析 并总结了变换器的设计原则 但对集成变压器的研究尚有不足 型变换器输入自然均压通过集成变压器原边绕组的耦合作用实现 其均压效果受到集成变压器的多绕组耦合参数影响 传统的集成变压器模型不足以充分描述各绕组间的耦合关系 无法深入分析集成变压器多绕组耦合参数对自然均压效果的影响 针对其不足 笔者采用能充分描述各绕组间耦合关系的集成变压器多绕组耦合模型 详细分析了多绕组耦合参数对各串联电路自然均压效果的影响 总结了集成变压器多绕组耦合参数的优化方法 输入串联型正激变换器及其工作过程分析基于变压器集成的输入串联型正激变换器基本结构见图 该变换器由()个结构参数相同的双管正激电路在输入侧串联构成 各串联电路共用一个集成变压器()和一组输出电路(数量为)工作时各开关管同时导通和关断 通过集成变压器原边绕组的耦合作用实现各串联电路输入电压的自然均衡图 基于变压器集成的输入串联型正激变换器 图 中 与 为变换器的输入电压与电流 为各串联电路的输入电压 ()为输入滤波电容 为开关管 为复位二极管 为原边电流 为输出电路整流与续流二极管 为输出滤波电感与滤波电容 为输出滤波电感电流 为输出电压采用图()中的理想变压器模型无法充分描述集成变压器多个绕组间的耦合关系 不能用于多绕组耦合参数对自然均压效果影响的研究中 因此建立正激式集成变压器的多绕组耦合模型(图()由于此类变换器的输入自然均压效果不受输出侧影响 可不考虑集成变压器各副边绕组耦合的影响 取 第 期 常熠琛 等.输入串联正激变换器集成变压器多绕组耦合机制及其优化同时假设集成变压器副边绕组()被分成 个并联的相同部分()分别置于 个相同的理想变压器()中 此外 模型中二极管()的引入仅为避免集成变压器副边电流反向流动 实际电路中并不存在这些二极管 在实际中 集成变压器每个绕组间不可能实现完全耦合任意两个绕组之间的耦合关系至少用一个漏感表示 因此用漏感 表示集成变压器各原边绕组()与 之间的耦合情况 为漏感的电流 用耦合电感()表示集成变压器的励磁电感 为励磁电流 以耦合系数()来表示集成变压器各原边绕组间的耦合情况对变换器的工作过程进行分析 假设:/除集成变压器外 电路中元器件为理想元器件 在一个开关周期内该变换器主要有 个工作阶段 见图 图 变换器在各工作阶段等效电路 工作阶段():时刻 开关管 导通 集成变压器原边电流从零上升 由于原边电流不足以提供负载电流 因此二极管 同时导通 集成变压器原、副边电压被钳位于零 漏感 承担各串联电路输入电压 变压器原边电流迅速上升 到 时刻 /(、分别为集成变压器原、副边绕组匝数)二极管 截止 中流过全部负载电流 此阶段结束工作阶段():时刻后 集成变压器原边电流持续增长 其中电流关系 /保持不变 直到 时刻 集成变压器原边电流增长至整个开关周期内的最大值 此阶段结束工作阶段():时刻 开关管 截止 复位二极管 导通集成变压器原边电流开始减小 二极管 同时导通 集成变压器原、副边电压再次被钳位于零漏感 承担各串联电路反向输入电压 其电流迅速减小 到 时刻 漏感 的电流减小至零 二极管 截止 此阶段结束工作阶段():时刻后 电感 的电流持续减小 变换器的输出电流仅由输出滤波电感与输出滤波电容 提供 到 时刻 电感 的电流减小至零 此阶段结束工作阶段():时刻后 集成变压器原边不再有电流流过 变换器输出电流仅由输出滤波电感 与输出滤波电容 提供 到 时刻 开关管 再次导通 变换器进入下一个工作周期黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷 输入串联型正激变换器输入自然均压效果分析 变换器自然均压过程该变换器的输入自然均压通过集成变压器原边绕组的耦合作用实现 由于工作阶段 与工作阶段 持续时间短 因此忽略其均压过程 认为集成变压器原边绕组耦合作用主要发生在工作阶段 与工作阶段 在工作阶段 定义 时刻 假设在 时刻 个串联电路出现输入电压差异()即:/()/()由于电感电流不能突变 因此()()()()在 时刻后 由图()可得各串联电路原边电流()与其它电流关系为()()()()()由式()和初始条件可得 时刻后 个串联电路原边电流差异为()()()()由图()可得 时刻后 个串联电路输入滤波电容 的电压表达式为()()()()()()()其中 为耦合电感的互感 由式()和初始条件可得 时刻后 个串联电路耦合电感的自感 电流关系为()()()()()同样 在 时刻之后 由图()可得:()()()()()()()由于 远大于 与 因此在 与 电流变化的过程中可忽略 电流的变化 则由式()与初始条件可得 时刻后漏感()电流关系为()()()()由式()、()、()可得微分方程:()()()()()因此 对式()微分方程求解可得 时刻后 与 的表达式为()()()()()()()()第 期 常熠琛 等.输入串联正激变换器集成变压器多绕组耦合机制及其优化其中谐振角频率:()()()在工作阶段 定义 时刻 假设在 时刻 个串联电路出现输入电压差异()即:/()/()等效电路见图()由于电感电流不能突变 因此()()()()但在 时刻后出现电流差异变换器在工作阶段 与工作阶段 的均压分析过程类似 此处不再给出 分析可得在 时刻后输入电压与原边电流差异的表达式为()()()()()()()()其中谐振角频率:()()由上述分析可得:如果在工作阶段 或工作阶段 出现输入电压差异 变换器各串联电路间将发生高频谐振过程 同时引起各串联电路输入电流的差异 由于各串联电路存在导通阻抗 输入电压与电流差异的幅值逐渐减小 并在若干个谐振周期后减小至零 因此各串联电路可以实现输入自然均压 随着谐振角频率的增加 完成均压过程所需时间变短 输入电压差异的产生因素在整个开关周期内 由集成变压器引起的输入电压差异主要产生在工作阶段 与工作阶段(在工作阶段 与工作阶段 会被自然均压过程抑制)为了简化分析 忽略各串联电路器件参数差异 认为各串联电路完全同步工作在工作阶段 认为输入电压差异在 时刻后产生 则()()/()()()()此外 与 远大于 与 因此忽略 与 的变化在工作阶段 由图()可得:()()()()()()()()()()()()()()由式()和式()可得:()()()对式()进行求解可得:()()()变换器在工作阶段 与工作阶段 电压差异产生的分析过程类似 此处不再给出 分析可得在 时刻后输入电压差异的表达式为()()()黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷 由式()和式()可知:在工作阶段 与工作阶段 过程中各串联电路产生的最大输入电压差异将随着()/()的减小而减小通过上述分析总结正激式集成变压器多绕组耦合参数的优化原则为:提高各原边绕组间的耦合程度、保证较高的耦合系数 以缩短均压过程的持续时间 尽可能减小原副边绕组间漏感的差异()从而抑制各串联电路的输入电压差异 仿真研究为验证理论分析的正确性 对本文分析的输入串联型正激变换器进行仿真验证 变换器基本仿真参数:开关频率为 图 变换器的基本工作过程 首先 在不考虑各串联电路参数差异 认为开关管同时导通 且集成变压器原副边漏感 的情况下 对变换器基本工作过程进行仿真 仿真结果见图 由图 可知 输入串联型正激变换器工作过程的仿真结果与上文分析基本保持一致分别对 与 情况下变换器在工作阶段 与工作阶段 均压过程进行仿真 假设在阶段 或阶段 过程中 两个串联电路间出现了 输入电压差异图 时变换器自然均压过程 仿真结果见图、图 由仿真结果可知 当变换器在工作阶段 或工作阶段 出现输入电压差异后 两个串联电路之间将发生高频谐振过程 同时引起各串联电路原边电流差异产生 由于各串联电路内部阻抗作用 高频谐振的幅值逐渐减小 并在若干周期后减小至 变换器实现输入自然均压、均流 当提高耦合系数 使得第 期 常熠琛 等.输入串联正激变换器集成变压器多绕组耦合机制及其优化图 时变换器自然均压过程 变换器在工作阶段 与工作阶段 的谐振角频率升高时 变换器实现输入自然均压、均流过程所需时间更短 仿真结果与上文理论分析基本保持一致对 情况下由集成变压器引起的输入电压差异进行仿真(集成变压器引起的输入电压差异主要产生在工作阶段 与工作阶段)仿真结果见图、图 并对 时 不同 情况下 由集成变压器引起的输入电压差异进行仿真 仿真结果见表 由图、图、表 可见 减小集成变压器原副边绕组间漏感差异()可抑制各串联电路间输入电压差异的产生 提升均压效果 仿真结果与理论分析基本保持一致表 集成变压器引起的输入电压差异 /阶段 /阶段 /图 时 的电压波形 黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷图 时 的电压波形 结 论本文针对基于变压器集成的输入串联变换器中集成变压器多绕组耦合参数对均压效果影响问题展开研究 以此类正激变换器为研究对象 对集成变压器多绕组耦合参数的影响机制进行分析 并以提升变换器输入自然均压效果为目标 总结了正激式集成变压器多绕组耦合参数的优化方法 研究结果表明:在正激式集成变压器设计过程中 应提高各原边绕组间的耦合程度、保证较高的耦合系数 以缩短均压过程的持续时间 并且尽可能减小原副边绕组间漏感的差异 从而抑制各串联电路的输入电压差异参考文献:.():.():.陈武 阮新波 颜红./多模块串并联组合系统控制策略.电工技术学报 ():.刘磊.串联均压技术的研究.南京:南京航空航天大学.徐烨.正激式高频隔离三电平逆变器研究.南京:南京理工大学.():.魏亮 孟涛.一种适用于输入串联型变换器基于耦合电感的无源缓冲环节.黑龙江大学工程学报 ():.():.陈武 阮新波.可全负载范围实现 的复合式全桥三电平变换器.中国电机工程学报 ():.刘福鑫 杨朔 阮新波.新型对称控制方式三相三电平直流变换器.中国电机工程学报 ():.刘飞.具有自然均压特性的多变换器模块输入串联输出并联系统研究.南京:南京航空航天大学.罗劼.自然均流、均压的高频组合直流变换器研究.杭州:浙江大学.张智杰 杨威 杨世彦.模块化输入串联输出独立辅助电源系统及其输入均压控制策略.电工技术学报():.赵明华.输入串联输出独立的组合直流变换器均压控制策略研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.():.():.安彦桦.输入串联变压器集成型正激式功率变换技术研究.哈尔滨:黑龙江大学.第 期 常熠琛 等.输入串联正激变换器集成变压器多绕组耦合机制及其优化 ():.:():.:黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷