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    大升压比DC/DC变换器抽头储能电感设计

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-10 14:09:00    浏览次数:122    评论:0
    导读

    摘要:磁性元件的设计较为依赖经验公式和方法,设计结果通常具有一定的不确定性。针对大升压比DC/DC变换器提出了利用占空比、升压比和电流突变量三者之间的约束进行估算抽头储能电感关键参数的设计方法,提出了Maxwell电磁场仿真和Psim电路仿真相结合的抽头储能电感绕制方案的寻优。仿真结果表明,所估算的理论参数正确,通

    摘要:磁性元件的设计较为依赖经验公式和方法,设计结果通常具有一定的不确定性。针对大升压比DC/DC变换器提出了利用占空比、升压比和电流突变量三者之间的约束进行估算抽头储能电感关键参数的设计方法,提出了Maxwell电磁场仿真和Psim电路仿真相结合的抽头储能电感绕制方案的寻优。仿真结果表明,所估算的理论参数正确,通过仿真能获得变换器在使用不同绕制方式下电感产生的不同系统性能参数,方便设计者根据实际需求来寻找最合适的制作方案。

    关键词:大升压比;变换器;抽头储能电感;仿真分析

    随着光伏、风力等新能源的普及应用,新能源发电技术取得了长足的进步。但新能源发电的电压通常较低,为了提高电压水平,需要采用升压变换器来进行电能变换[1-5]

    升压变换器有隔离型和非隔离型两类,隔离型升压变换器采用变压器进行升压,当升压比较大时,匝比会影响变压器的线性度,且变压器体积大、成本高、变换效率低、功率密度低[6-8]。而非隔离型变换器结构简单、体积小、成本低、功率密度高,但受到实际电路寄生参数的影响,其升压比也很有限。为进一步提高变换器的升压能力,研究人员提出了采用耦合电感的升压变换器,该变换器可通过设置适当的电感线圈匝比来获取较大的升压比[9-11]

    带中芯抽头储能电感的非隔离大升压比DC/DC变换器能兼顾功率密度、变换效率和高升压比。在该变换器中设置不同的抽头位置,变换器就具有不同的升压能力。因此,带中芯抽头储能电感的合理设计对升压电路的整体性能起到至关重要的作用。

    然而,由于磁性材料具有强非线性,并且非导磁材料的磁导率不为0,导致实际电感、变压器等磁性元件的设计制作较为困难,通常需要依赖一些经验做法并利用一些经验公式[12-13],使设计结果具有一定的不确定性。同时,采用不同的绕制方式制作出的电感,其电感参数和寄生参数也存在差异。所有这些不确定性和差异在严重的情况下可能导致电路无法正常工作。因此,在采用经验做法的基础上,还要借助仿真软件来估算不同电感绕制方案下的元件参数和寄生参数。

    本文对非隔离大升压比DC/DC变换器带中芯抽头储能电感的设计进行了研究,在保证电路升压能力的同时,为了降低开关损耗和漏磁带来的影响,提出了利用占空比、升压比约束并结合尽可能低的模态切换电流突变量,来估算抽头储能电感的匝比和电感量等抽头电感关键参数的设计方法。为了进一步获取不同绕制方案下,所设计电感在整体系统中的使用效果,这里将每种方案下电磁仿真获得的各项数据带入变换器电路,通过系统电路仿真以筛选相对最优的设计方案,提出了基于电磁场仿真和电路仿真相结合的储能电感绕制方案寻优方法。

    1 大升压比DC/DC变换器基本工作原理

    1.1 大升压比DC/DC电路工作模态

    大升压比DC/DC变换器电路及其等效工作模态如图1所示。

    图1 大升压比DC/DC变换器电路及其等效工作模态
    Fig.1 Circuit and equivalent operating modes of DC/DC converter with a large step-up ratio

    图1中,Ui为输入电源,Ci为输入侧滤波电容,Cf为输出侧滤波电容,D1为功率二极管,RL为输出负载。与传统Boost型DC/DC变换器电路相比,该电路拓扑利用一个带中芯抽头的耦合电感取代了无抽头电感,使得电感的充磁回路和去磁回路对应的线圈匝数不同,即电感值不同。

    大升压比DC/DC变换器在CCM模式下有充磁和去磁两种工作模态,分别如图1(b)和图1(c)所示。充磁模态下开关S导通,电感L1(对应线圈N1)通过S和Ui构成的回路充磁,电流iL上升,电感L2(对应线圈N2)无电流,此时Cf给 RL供电;去磁模态下开关S关断,抽头电感L通过D1、RL和Ui构成的回路去磁,电流iL下降,L1、L2的电流相等,此时Ui和抽头电感L共同给RL供电。

    1.2 升压比计算

    CCM模式下,在一个高频开关周期Ts内开关管S导通期间,抽头电感处于充磁阶段,由图1(b)可得

    式中:φ为抽头电感磁通;r为包括电感绕组电阻、功率开关和二极管D1通态电阻在内的等效电阻。

    开关管S截止期间,抽头电感处于去磁阶段,由图1(c)可得

    由于在一个高频开关周期内,电感磁通不变、输出电压平均值不变,因此由式(1)~(4)可得升压比M为

    式中:D为S导通时间对应的占空比;n为抽头电感两段线圈的匝比,n=N2/N1

    理想条件(r=0)时,变换器的升压比M为

    由式(6)可知,通过调节匝比n,能进一步增强电路的升压能力。

    2 带抽头储能电感相关参数计算

    2.1 电感值计算

    图2为CCM模式下大升压比Boost型DC/DC变换器抽头电感的电流波形,其中,电感L2的电流等于电感L1在去磁阶段的电流。

    图2 抽头电感电流的波形
    Fig.2 Waveforms of tapped inductor current

    由图2可知,模态切换时电流突变量为

    式中,k为自然数。

    由式(7)可知,匝比越大,模态转换时的电流突变越严重,实际电路漏感带来的尖峰问题也会越严重。此外,考虑到电路寄生电阻的影响,实际占空比尽量不超过0.88[14-15]

    由式(6)可得,匝比n的取值范围为

    因此,在满足升压能力的前提下,匝比n可由式(7)和式(8)确定。

    稳态情况下,由磁势平衡可得

    式中,分别为充磁阶段和去磁阶段电感电流的变化量。

    通过二极管D1的电流为去磁阶段的抽头电感电流,其平均值等于输出电流的平均值Io。因此,结合式(11),可以求得临界CCM模式的输出电流平均值IOB

    要使变换器工作在CCM模式,输出电流最大临界值IOB_max不得超过输出电流最小值Io_min,即

    则电感L1需满足

    式中,Po_min为变换器输出功率的最小值。

    2.2 带抽头储能电感电流计算

    由图2可知,抽头电感电流为周期性电流,根据式(11)并结合图1和图2分析,可得到在1个开关周期内L1的瞬时电流为

    去磁阶段相等,因此在1个开关周期内L2的瞬时电流为

    由式(15)可得抽头电感的峰值电流为

    电感L1的电流有效值IL1_rms和电感L2的电流有效值IL2_rms分别为

    3 带抽头储能电感设计

    3.1 磁芯选取

    在软磁材料中,金属软磁粉芯既保留了金属软磁和铁氧体软磁的一些优良特性,又最大限度地克服了二者的一些缺陷。因此,到目前为止,金属软磁粉芯是综合性能最好的一种软磁材料[16-17]

    磁芯形状有很多种,较为常见的有EE型、EI型、UI型、RM型以及环型等,其中环型的磁芯导磁率高、损耗低、抗干扰性强,且在制作耦合电感时具有较高的耦合系数[16]

    综合以上分析,本文选用的磁芯为金属软磁粉制作的环型磁芯。电感峰值电流时的磁导率为初始值的60%,此时最大磁场强度为Hm。通过AP法计算面积积为

    式中:j为导线电流密度;μo为磁芯初始磁导率;Ku为窗口利用系数,取Ku为0.4。查询数据手册,选用实际面积积AP1大于AP的磁芯。

    3.2 匝数计算

    磁环的初始电感系数为,当峰值电流下降至初始值的60%时,抽头电感线圈匝数N1

    对应的电感线圈N2为nN1

    3.3 电感值核算

    电感电流峰值处的磁场强度为

    式中,le为磁芯有效磁路长度。查询手册可知,当磁环磁导率下降到初始值的k%时,对应的电感为

    对比设计电感L1,若L1≥L1p,则说明满足设计要求。

    3.4 绕组设计

    高频电流具有很强的集肤效应,为了消除集肤效应带来的影响,导线的直径不得超过2倍的穿透深度。铜导线流过100 kHz电流时穿透深度等于0.209 3 mm,因此选取的导线直径应小于0.418 6 mm。取电流密度 j=500 A/cm2,可选用0.400 0 mm的铜线多股并绕。

    计算实际窗口利用系数为

    式中:分别为L1、L2的导线截面积;Q为磁芯窗口面积。

    若由式(24)计算得出Ku<0.4,则说明所设计的导线在所选磁芯下达到绕制要求,否则应重新选取磁芯。

    4 仿真验证

    4.1 设计实例

    表1是本文所设计的大升压比DC/DC变换器的电路参数。

    表1 大升压比DC/DC变换器电路参数
    Tab.1 Circuit parameters of DC/DC converter with a large step-up ratio

    变换器在上述输入电压工作范围内,其升压比范围是8~10。为了兼顾开关损耗和电流突变率,并结合式(7)和式(8),选取匝比n为2,对应的占空比范围是0.70~0.75。根据式(14)并考虑一定裕量,选取电感L1为0.01 mH,电感L2为0.04 mH。

    4.2 抽头储能电感3种绕制方式下的仿真分析

    选取磁芯型号为NPH158060的磁环,其磁芯参数和电感导线参数见表2[17]。由式(17)~(24)计算得到,iL1_max=45.00 A,IL1_rms_max=27.04 A,IL2_rmsmax=5.20 A,AP=2.660,匝数 N1取12匝,匝数 N2取24匝,Ku=0.348<0.400。实际 AP1=5.457>AP,磁芯参数满足设计要求。

    表2 磁芯参数
    Tab.2 Parameters of magnetic core

    将上述参数代入Maxwell软件中,建立3种不同绕制方式下的三维电感模型,如图3所示。

    图3 3种不同绕制下的抽头电感三维模型
    Fig.3 Three-dimensional model of tapped inductors under three different windings

    表3为峰值电流下3种不同绕制方式对应的电感重要参数。

    表3 3种不同绕制方式的电感参数仿真结果
    Tab.3 Simulation results of inductance parameters in three different winding modes

    由式(23)计算得出L1p=0.012 mH。由表3可知,L1≥L1p,满足设计要求。从表3可以看出,普通绕制方式下的电感耦合系数较低,寄生电阻较大,将导致损耗增大;三明治绕制模型和交叉绕制模型耦合系数大,寄生电阻小,拥有更好的性能。

    4.3 3种绕制方式电感在变换器电路中的仿真分析

    将表3中的电感参数带入Psim仿真电路中,得到3种不同电感绕制模型所对应的变换器性能指标。图4~图6分别是输入电压为40 V时,普通绕制模型、三明治绕制模型及交叉绕制模型下的稳态仿真结果,可以看出,3种不同绕制方式下的输出电压均稳定在400 V,电感电流均大于0。

    当输入电压为50 V时,对3种不同模型的电路进行仿真,对比仿真结果见表4和表5。通过表4和表5可以得到如下结论。

    图4 输入电压为40 V时电感普通绕制模型大升压比DC/DC变换器仿真结果
    Fig.4 Simulation results of a large step-up ratio DC/DC converter with a common winding model when the input voltage is 40 V

    (1)不同输入电压下,3种绕制模型中变换器效率最高的为交叉绕制模型,最低的为普通绕制模型电感。这与其电感模型的寄生电阻大小有关,寄生电阻越大,损耗越大,效率越低。

    图5 输入电压为40 V时电感三明治绕制模型大升压比DC/DC变换器仿真结果
    Fig.5 Simulation results of a large step-up ratio DC/DC converter with a sandwich winding model when the input voltage is 40 V

    (2)三明治绕制模型下开关的电压应力最小,普通绕制模型的最大,与耦合系数相对应。

    (3)由式(18)和式(19)可知,当输入电压为40 V时对应的电感电流峰值为42.50 A,有效值为27.21 A;当输入电压为50 V时对应的电感电流峰值为39.58 A,有效值为22.59 A。结合表4和表5可知,仿真结果比理论计算值偏大一点,主要原因是电感等元件存在寄生电阻,导致变换器效率有所损耗。因此,设计时需要考虑一定的裕量。

    图6 输入电压为40 V时输入电压为40 V时电感交叉绕制模型大升压比DC/DC变换器仿真结果
    Fig.6 Simulation results of a large step-up ratio DC/DC converter with a cross-winding model when the input voltage is 40 V

    表4 输入电压为40 V时电路仿真结果
    Tab.4 Simulation results of circuit when input voltage is 40 V

    (4)3种不同电感绕制模型中,普通绕制模型的耦合系数最低、寄生电阻最大、效率最低、电感电流有效值最大、开关管电压应力最大,可见普通绕制是性能最差的绕制方式。而三明治绕制模型和交叉绕制模型电感性能接近,交叉绕制模型在效率上最高,但其他方面性能要比三明治绕制模型低,且实际绕制难度大,只适用于效率要求高的场合。三明治绕制模型电感性能好,实际绕制难度也不大。

    表5 输入电压为50 V时电路仿真结果
    Tab.5 Simulation results of circuit when input voltage is 50 V

    5 结论

    (1)分析了大升压比DC/DC变换器的工作原理,提出了兼顾开关损耗、电流脉动和升压能力的中心抽头储能电感匝比与电感量设计思路,推导了抽头耦合电感的主要参数,对抽头耦合电感进行了选型和设计。

    (2)通过Maxwell和Psim相结合的仿真分析,验证了抽头电感设计的有效性和可行性,对比了3种不同绕制电感模型的性能,提供了抽头电感优化设计及软件仿真寻优的方法。

    (3)仿真结果表明,不同绕制方式产生了不同的电感参数及寄生参数,影响着变换器的系统整体性能,可以根据实际的设计要求来确定相对合适的设计方案。


     
    (文/小编)
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