采用穿线式平板型磁性元件的辅助电源研究

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小功率辅助电源是电力电子变换器中必不可少的一部分。随着电力电子技术的发展,电力电子装置越来越复杂,需开关管个数不断增加,所以给开关管驱动供电的辅助电源需求越来越旺盛。并且近年来,发展迅猛的宽禁带(WBG)器件GaN和SiC,具有开关速度快、导通电阻小和能够在高温条件下工作的优点,但是WBG器件输入电容大大降低,驱动损耗大大减小,需要设计专门给WBG器件驱动供电的更小功率的辅助电源。WBG器件能够使电力电子器件工作在更高的频率下,但是更高的开关频率带来了更严重的共模瞬态干扰(CMTI),而只有减小辅助电源变压器原副边隔离电容才能抑制CMTI,因此对辅助电源的设计提出了减小变压器原副边隔离电容的要求,需要重新设计给WBG器件驱动供电的辅助电源,所以辅助电源得到了越来越多的关注。  随着3D打印技术应用范围的不断扩大,允许磁性元件能够采用更为复杂的结构,因此本文的一部分内容是对于能够实现平面化与集成化的穿线式平板型磁性元件的研究。软开关技术可以使电力电子变换器在高频下的开关损耗大大降低,特别是LLC谐振变换器,具有易于磁集成、开关管能够实现零电压开通和副边整流二极管能够实现零电流关断等优点,所以本文研究的辅助电源采用了LLC拓扑。本文结合辅助电源的旺盛需求、WBG器件对辅助电源提出的新要求、能够实现穿线式平板型磁性元件的3D打印技术及LLC拓扑的优势,研究了一种采用穿线式平板型磁性元件的小功率辅助电源。  本文首先提出了一种将LLC谐振变换器的变压器与谐振电感集成的穿线式平板型磁性元件,分析了竖直绕组及水平绕组对穿线式平板型磁性元件电感值的贡献,对穿线式平板型磁性元件电感和损耗进行了有限元分析,对磁性元件的电感值进行了测试,还分析了CMTI产生的通路,测试了穿线式平板型磁性元件原副边的隔离电容,指出本文所提出的结构是解决CMTI的重要手段之一。其次基于状态转移矩阵,针对穿线式平板型磁性元件所带来的变压器副边漏感不可忽略的问题,分析了考虑变压器副边漏感的LLC谐振变换器的6种工作模态和六个工作区域,电路仿真的结果证明了该方法的准确性,此部分研究为小功率辅助电源的设计提供了理论指导。然后针对穿线式平板型磁性元件中漏感表现出的非线性,介绍了电力电子仿真软件中的非线性电感的模型,并在Pspice中对考虑变压器副边漏感的LLC谐振变换器进行了电路仿真,证明了漏感的非线性对变换器波形影响不大。并简要介绍了实验装置的设计,最后的实验结果表明在效率与国内外先进水平相当的条件下,采用穿线式平板型磁性元件的辅助电源隔离电容更小。
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