隔离型开关电感Zeta变换器磁集成研究

2020-06-28李洪珠李洪璠吴剑男

电源学报 2020年3期

李洪珠，张理，李洪璠，吴剑男

（1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛 125105；2.三亚学院理工学院，三亚572022;3.葫芦岛供电公司，葫芦岛125105）

近几年，化石能源短缺与环境污染问题日益加剧，光伏发电以其清洁、环保和成本低等优势成为了当今世界可再生能源发电领域的研究热点[1]。随着光伏发电、电动汽车和燃料电池等新能源项目受到国家重视与资金支持，高增益直流变换器逐渐得到科研人员的广泛研究和关注[2]。直流变换器中，非隔离DC/DC变换器因其电路结构简单、成本较低而被广泛应用[3-7]。文献[4]提出采用耦合电感方案，实现较大的电压增益；文献[5]在Boost变换器中使用了开关电感单元，得到了较高的升压能力，但其没有达到电气隔离的目的；文献[6]将开关电感单元与交错并联技术相结合，应用到双向直流变换器中，以实现高增益。但非隔离变换器存在电压增益有限、损耗较大和无电气隔离等缺点。

为了解决这些问题，本文在传统非隔离型Zeta变换器的基础上加入变压器，并将Zeta变换器中的储能电感用开关电感单元进行替换，同时利用磁集成技术将磁性器件进行集成，以实现较高电压增益和增加电气隔离、减小电感电流纹波、降低变换器体积等设计目的。最后利用PSIM仿真软件对开关电感Zeta变换器进行仿真，并制作实验样机验证理论分析的正确性。

1 集成开关电感隔离型Zeta变换器

1.1 变换器拓扑

磁集成开关电感隔离型Zeta变换器拓扑如图1所示，该变换器由1个开关电感单元、2个储能电容、1个变压器、1个输出电感、滤波电容及负载组成。用开关电感单元替换输入电感，设L1=L2=L，正向耦合，互感为M1。变压器T负责传输能量，N为变压器变比。

1.2 变换器工作模态

该变换器可以分为2个工作模态，图2为其主要工作波形。在分析其工作模态时，不考虑变压器漏感并假设所有电路元件均为理想器件。

工作模态 1[0～DT]：如图 3（a）所示，开关管 S导通，二极管D和D3承受反向电压截止，D1和D2导通，电源通过开关管S、二极管D1和D2向并联电感L1和L2充电，变压器T原边承受电压为+Ui），副边则向电容C2、电感L3和负载供电。

工作模态 2[DT～T]：如图 3（b）所示，开关管 S关断，二极管D和D3导通，二极管D1和D2反向截止，电感L1和L2通过D3串联放电，变压器副边感应电流给电容C2充电，电感L3放电，给负载供电。

1.3 电流纹波分析

由式（1）得输入电感电流纹波Δi1和输出电感电流纹波Δi3可分别表示为

式中，D为变换器占空比。

由式（2）可得

根据伏秒积平衡，由式（3）和式（4）得到电压增益为

式（5）表明，电压增益比传统的Zeta变换器提高了N（1+D）倍，且与耦合系数无关。

设k为耦合系数，则

结合式（3）可得，电感耦合情况下电感电流纹波为

Δi1、Δi3分别为输入、输出电感电流纹波，在电感大小和D一定的情况下，由式（7）可得，输入电感电流纹波的大小与k成反比。当k=1，即L1与L2全耦合时，输入电感电流纹波最小，为非耦合时的一半；而输出电感电流纹波与非耦合时相同，没有变化。

2 开关电感隔离型Zeta变换器磁集成

本文所提隔离型开关电感Zeta变换器含有3个电感和1个变压器，对于磁件数目较多的变换器，对磁件进行磁集成就能达到减小变换器体积、提高效率和功率密度的目的[8]。在磁集成设计中，有耦合集成和解耦集成2种方式[9]。隔离型Zeta变换器，可先将变压器原边开关电感，再将耦合电感与变压器进行解耦集成，具体结构如图4所示。

集成磁件采用“EE”型磁芯结构，将耦合电感L1和L2分别分为2组匝数相同的串联绕组和，并缠绕在磁芯的2个侧柱上，变压器绕组则缠绕在磁芯的中心磁柱上。磁芯左侧柱和右侧柱的电感L1和L2绕组进行正向耦合，电感绕组产生的磁通在磁芯中柱互相抵消，以此实现了和变压器的解耦集成。

磁件的建模对变换器的分析与仿真设计具有重要意义。集成磁件的建模方法有多种，本文使用磁路—电路对偶变换方法进行建模。图4的等效磁路和对偶磁路分别如图5（a）和（b）所示，尺度变换后磁链与电流关系如图5（c）所示，集成磁件等效电路如图 5（d）所示。

根据电感和磁阻R之间的关系，可得到耦合电感绕组自感L及电感绕组间的互感M与相应磁路磁阻R的关系。

电感绕组的自感为

正向耦合电感间互感为

正向耦合系数为

由前文分析可知，正向耦合电感间的正向耦合系数越大，电流纹波越小，通过调整气隙的磁阻来调节Rw，可以控制耦合电感间正向耦合系数k的值，从而调整输入电感电流纹波的大小。

3 变换器仿真与实验

本文使用PSIM仿真软件并制作实验样机对传统Zeta变换器和隔离型磁集成开关电感Zeta变换器的输入电感电流及输出电压进行仿真与实验。设置参数为占空比D=0.67，开关频率为100 kHz，输入电压 Ui=5 V，电感 L1=L2=L3=10 μF，互感为 0.9，电容 C=50 μH，C1=C2=40 μH，变压器绕组 N1为 2匝，N2为4匝。手工制作的集成磁件如图6所示。

根据图 7（a）和（b）的仿真结果可以看出，隔离型开关电感Zeta变换器在磁集成与未磁集成情况下输出电压都是33 V，而传统Zeta变换器输出电压为20 V。本文所提隔离型磁集成开关电感Zeta变换器电压增益比传统隔离型Zeta变换器提高了1.67倍，验证了第1节提出的理论分析。

如图 8（a）和（b）所示，传统隔离型 Zeta 变换器输入电感电流纹波为3.28 A，开关电感未集成时电感电流纹波为2.90 A。而隔离型磁集成开关电感Zeta变换器电感电流纹波为1.64 A，较其他2个电流纹波减小了一半，符合理论分析。

本文搭建图9所示实验电路对理论分析进行验证。实验测得磁集成隔离型开关电感Zeta变换器输出电压Uo=33 V,未耦合电感电流纹波iL1=3 A，耦合电感电流纹波iL1=1.4 A，如图10所示。比较可知，当电感进行耦合集成后，其电感电流纹波比分立电感电流纹波减小一半，验证了理论分析的正确性。