柔性多层带材集成技术的应用

温志伟 邓成

（1.易事特集体股份有限公司 广东省东莞市 523808 2.邵阳学院 湖南省邵阳市 422004）

1 引言

近十年，全球光伏发电量一直在迅速增加：2021年光伏发电装机容量已经达到714 GW[1]。与其他储能系统技术相比，电池存储系统具有响应时间快、效率高、能量密度高等优势[2]。文献[3]～[4]提出了具有分布式电池储能的光伏电池系统，然而该种系统仅适用于电网电压由其他方式调节的情况。为此，文献[5]提出了一种新型光伏-电池储能一体化变流器，如图1所示。然而，由于该新型集成系统中包含大量的磁性元件占据了大部分体积，限制了整个变流器功率密度的进一步提高。

近年来，作为一个研究热点--柔性多层带材(flexible multilayer foil, FMLF)集成技术是一种获得高功率密度的有效方法。在文献[6]中，使用FMLF集成技术将EMI滤波器的体积减少45%。

针对光伏-电池储能一体化变流器，本文采用FMLF集成技术将一个变压器、两个谐振电感和一个储能电感全部集成在一组E-E-E磁芯结构中。

首先，本文详细介绍了该新型磁集成单元的组成原理和端口连接方式，然后给出了其设计流程和参数计算公式，最后通过建立一台175W-200kHz光伏-电池储能一体化变流器的Maxwell/Ansoft仿真模型和试验样机验证了本文所提出新型磁集成单元的有效性和正确性。

2 组成结构

为使四个感性元件全部集成在一组E-E-E型磁芯中，本文利用FMLF集成技术，分别设计了两类FMLF集成带材结构：

（1）电感集成带材结构F1（如图2所示）：只由导体薄膜和绝缘薄膜组成，作为电感使用。

（2）变压器集成带材结构F2（如图3所示）：由第一、第二导体薄膜和绝缘薄膜组成，作为变压器原副边使用。

如图4所示，F1和F2两类带材分别绕制在E-E-E型磁芯的左、右边柱上用于构成四个绕组W1～W4，并按照以下连接方式接入了电路：

1.绕组W1采用F2型带材结构，第一导体薄膜左端口连接到滤波电容C1正极c，其右端口连接到开关管S1漏极d，使得第一导体薄膜构成变压器原边；将第二导体薄膜左端口连接到二极管Dbat阳极a，其右端口连接到滤波电容Cbat负极b，使得第二导体薄膜构成变压器副边。

2.绕组W2采用F1型带材结构，导体薄膜左端口连接到开关管S1漏极d，其右端口连接到开关管S2的源极g，用于构成谐振电感。

表1：工作条件

图1：光伏-电池储能一体化变流器拓扑

图2：电感集成带材F1结构及其等效电路

3.绕组W3采用F1型带材结构，导体薄膜左端口连接到开关管Sbat源极e，其右端口连接到开关管S1的源极f，用于构成谐振电感Lrb。

图3：变压器集成带材F2结构及其等效电路

图4：本文所提的磁集成单元及其连接方式

图5：E19/8/9磁芯尺寸（单位：mm）

图6：设计流程

4.绕组W4采用F1型带材结构，导体薄膜左端口连接到开关管S1的源极f，其右端口连接到二极管D1的正极h，用于构成谐振电感Lb。

为了避免磁通饱和，磁芯E1和E2左右边柱之间，磁芯E2和E3左右边柱之间均设有气隙。由于气隙磁阻要远大于磁芯磁阻，绕组W1的磁通多数都从E1和E2的中柱流回，仅有少量流入绕组W2～W4。类似地，绕组W2～W4的磁通也如此，从而可以实现四个绕组磁通相互解耦。

最终，通过利用共享低阻磁路的方式，光伏-电池储能一体化变流器中的变压器T、谐振电感Lr、谐振电感Lrb和储能电感Lb四个磁性元件被集成到一组E-E-E磁芯结构当中。

3 参数设计

按照表1所示光伏-电池储能一体化变流器的工作条件，所提磁集成单元的设计流程如图6所示。

第1步：相比其它铁氧体材料，3C94 (FERROXCUBE，μr=2300，Bsat=0.47T)具有更为优良的性能，因此，本文选取它作为所提磁集成装置的磁性材料。按照AP计算方法，选取E19/8/9作为铁氧体磁芯的型号，其有效截面积Ae为14.31mm2，其尺寸如图5所示。

第2步：原边绕组匝数Npri可按下式进行计算：

其中，Vpri为原边电压，kV是波形系数，fsw是开关频率。

副边绕组匝数Nsec可通过下式进行计算：

图7：磁集成单元样机

图8：绕组W1磁通

图9：绕组W2磁通

其中，Vsec为副边电压。

为了防止磁通饱和，谐振电感Lr、Lrb和储能电感Lb的匝数Nr、Nrb和Nb可以通过下式推导得出：

其中，Nr、Nrb、Nb分别是各电感绕组匝数，RLr、RLrb、RLb分别是各电感磁通回路磁阻，le_Lr、le_Lrb、le_Lb分别是各电感磁通的长度，Imax_r、Imax_rb、Imax_b分别为Lr、Lrb、Lb的最大工作电流。

为了防止磁通饱和，气隙lG2、lG3和lG4的高度通过下式推导得出：

表2：试验样机结构参数

其中，μ0为空气磁导常数。

变压器磁芯气隙长度lG1由如下公式计算得出：

其中，Ipri_max为原边最大工作电流，Rpri为原边磁通回路的磁阻，le_pri为原边磁通的磁路长度。

最终，lG1～lG4的计算值分别为0.46mm、0.33mm、0.31mm和0.25mm。

第3步：如图5所示，由于受到磁芯窗口高度的限制，W1(变压器T)导体薄膜高度hT和W2(谐振电感Lr)导体薄膜高度hLr均设置为10mm，W3(谐振电感Lrb)导体薄膜高度hLrb和W4(储能电感Lb)导体薄膜高度hLb均设置为5mm。若电流安全密度取经验值ks=10A/mm2，则W1(变压器T)、W2(谐振电感Lr)、W3(谐振电感Lrb)和W4(储能电感Lb) 导体薄膜厚度tpri、tsec、tLr、tLrb和tLb可按下式进行计算：

经计算，W1和W2导体薄膜厚度为35μm，W3和W4导体薄膜厚度为80μm。

第4步：用于绝缘的绝缘薄膜厚度tins约为60μm，由于手工制作的原因，每两层材料之间不可避免的存在约为10μm的气隙tair。因此，绕组W1～W4的总厚度TLb、TLrb、TLr和TT的计算如下：

最终可以得到，TLb为0.68mm、TLrb为2.2mm、TLr为3.0mm，TT为4.66mm，均小于磁芯窗口宽度5mm。可见本设计能够满足要求。

4 仿真实验和样机验证

图10：绕组W3磁通

图11：绕组W4磁通

图12：绕组W1～W4总磁通

为了验证本文所提磁集成装置的正确性，根据表1所列工作条件和上述计算公式，可以得出如表2所列试验样机结构参数，并制作了一台如图7所示的试验样机。通过比较试验样机的理论值和实际值，可以得出设计流程和参数计算公式的正确性。此外，还通过Ansoft/Maxwell仿真软件搭建了试验样机的仿真模型。

（1）图8给出了绕组W1(变压器T)的磁通密度。W1中的磁通密度约为0.35T，低于饱和磁通密度0.47T；由于气隙lG2、lG3和lG4的存在，流经绕组W2的和磁芯E3的磁通量约为5×10-6T，因而可以忽略。

（2）图9给出了绕组W2(谐振电感Lr)的磁通密度。W2的磁通密度约为0.38T低于饱和磁通密度0.47T；由于气隙的存在，流经W1和E3的磁通量约为5×10-6Wb，可忽略不计。

（3）图10和图11给出了绕组W3(谐振电感Lrb)和绕组W4(储能电感Lb)的磁通密度。这两者的磁通密度均约为0.38T都低于饱和通磁密度0.47T；同理，由于气隙的存在，互相之间流通的磁通密度都约为5×10-6T，从而可以忽略不计。

（4）如图12所示，当四个绕组同时工作时，最大磁通密度为0.38T，低于所选磁芯的饱和磁通密度0.47T。上述仿真结果，验证了磁集成装置磁通分析的正确性和有效性。

5 结论

为了提高光伏-电池储能一体化变流器的功率密度，利用FMLF集成技术提出了一种将一个变压器、一个谐振电感、一个电池谐振电感和一个储能电感集成在一组E-E-E磁芯结构中的磁集成单元。此外，详细介绍了所提磁集成单元的组成原理、磁通分析、设计原理和计算公式。最后，针对一台175W-200kHz光伏-电池储能软开关功率变换器，搭建了一台试验样机并通过建立基于Maxwell/Ansoft的仿真模型，验证了本文所提出新型磁集成单元的有效性和正确性。