【摘 要】
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隔离DC/DC变换器因其拓扑灵活、种类繁多,可适应各功率等级,以及输入输出侧电气隔离等优势,被广泛用于车载电源、数据中心电源、电子产品适配电源等领域。磁性元件作为功率变换器的重要组成部分,承担着储能、滤波、电能变换、能量传输等作用,其重量、体积以及损耗都占据变换器的很大比重。随着各行各业对开关电源的体积重量、功率密度、效率等指标都提出越来越高的要求,对磁性元件进行平面化、集成化研究是推动开关电源小
【基金项目】
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中国南方电网有限责任公司科技项目《基于直流的综合能源系统关键技术研究与应用》(090000KK52180116);
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隔离DC/DC变换器因其拓扑灵活、种类繁多,可适应各功率等级,以及输入输出侧电气隔离等优势,被广泛用于车载电源、数据中心电源、电子产品适配电源等领域。磁性元件作为功率变换器的重要组成部分,承担着储能、滤波、电能变换、能量传输等作用,其重量、体积以及损耗都占据变换器的很大比重。随着各行各业对开关电源的体积重量、功率密度、效率等指标都提出越来越高的要求,对磁性元件进行平面化、集成化研究是推动开关电源小型化、高功率密度化的关键。本文以低压大电流输出的适配电源为研究对象,基于LLC谐振变换器的电路拓扑,对谐振电感和变压器分别进行磁性元件的分立设计和磁集成设计,目标在于通过对磁性元件结构参数的优化,减小磁性元件的分布参数、降低电源系统的总损耗和总体积,以提高电源系统效率和功率密度。(1)简要介绍LLC谐振变换器工作原理,分析重要参数对变换器工作特性的影响,据此设计磁性元件的关键参数。考虑到低压大电流输出场合下变换器设计所面临的器件应力、均流、变压器体积等问题,将变压器拆分成若干变比更小的变压器单元,对LLC谐振变换器的电路拓扑做出调整。(2)以减小电感元件的高频损耗和分布参数为主要目标,进行了谐振电感的优化设计。首先对电感元件的损耗构成进行数学建模和分析,从降低磁芯损耗的角度选择磁性材料和磁芯型号;考虑气隙对高频电感损耗的影响,对不同气隙结构的特点进行分析,并研究了绕组横向避让气隙、绕组纵向避让气隙、以及采用分布气隙的方式对减小绕组损耗的效果;针对高频电感分布参数对其工作特性的影响,研究其产生原因、计算方法、影响因素以及优化措施,据此提出电感绕组的优化设计,并通过Q3D Extractor软件提取分布参数,对优化方案进行验证;之后通过Maxwell3D软件对设计方案进行建模仿真,分析了设计方案的可行性后制作样机,最后对样机进行分布参数和发热特性实验,验证了设计方案的合理性。(3)分析了带中心抽头变压器损耗的构成,重点介绍高频被动损耗的产生原因以及减小措施;之后给出了面积乘积法在变压器设计中的具体应用;并通过原副边绕组交错排布的结构削弱邻近效应;针对变压器的漏感与分布电容,研究其对变压器本身和主电路工作特性的影响、形成原因、计算方法、影响因素和优化措施,得到原副边绕组交错排布的结构会减小漏感、绕组内分布电容、增大绕组间分布电容,于是通过在原副边绕组间增加屏蔽层以消除这一矛盾;最后通过电磁仿真软件对本文变压器设计方案进行可行性分析,并对变压器样机进行实验测试,验证了设计方案的合理性。(4)介绍了磁集成技术的原理和分析方法,并依据本文拓扑共提出了三种谐振电感与变压器磁集成的方案,分别为采用一对磁芯和两对磁芯利用中柱解耦实现集成、以及通过平分谐振电感抵消耦合作用实现集成。借助Maxwell 3D软件,对这三种集成方案进行了仿真分析,评估之后对较为合理的两种方案进行样机制作,经过对样机的实验测试,最终选择了漏感更小、磁芯与绕组温升更低、损耗更小的磁集成方案。
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