宽增益谐振型直流变换器及磁集成技术研究

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随着直流微网的快速发展,直流变换器作为其中的关键接口,不仅承担着对分布式能源的可靠接入,还实现着对不同类型的直流负载的有效接入。因此,对直流变换器提出了更高的性能要求。在拓宽单级直流变换器电压增益范围的同时保证其转换效率,并实现高频化、小型化、轻量化的发展目标,尚需要深入研究。本文围绕“宽增益谐振型直流变换器及磁集成技术研究”的课题展开了深入研究。下面将论文的主要工作归纳如下:(1)提出了一种具有两模式切换运行特性的软开关谐振型直流变换器,通过控制辅助开关管的通断,决定谐振电容是否并入谐振腔,从而确定变换器的运行模式。文中对不同模式下电路的阻抗及效率特性进行了详细分析,设计出可以同时满足两种运行模式要求的参数。进一步,对模式切换点进行优化选择,变换器可以在较窄的频率范围内同时实现高效率和宽增益范围的目标。(2)研究了一种CLTLC型多谐振软开关直流变换器拓扑,该变换器可同时实现基波和三次谐波有功功率的有效传递,减小了谐振腔内的无功环流,提高了转换效率。文章对变换器的拓扑及工作特性进行了介绍。此外,为满足高频化的需求,重新设计了变换器的参数并通过仿真予以验证。(3)提出了一种仅包含单一磁件的磁集成设计方案,可有效解决多谐振变换器中磁性元件数量过多的问题,并将其成功应用到CLTLC多谐振变换器中。为实现对励磁电感和漏感的控制,利用矩阵变压器思想和绕组不均分设计,在磁心的中柱引入一定气隙,可得到一种新型E型磁心结构。基于该结构,建立变压器的磁阻模型,从数学角度对所提方案进行论证。同时,给出了对应PCB绕组和磁芯的具体设计方法。最后,利用Maxwell软件搭建有限元仿真模型,由此验证该方案的可行性。(4)搭建了多谐振型直流变换器实验样机,并进行了相关实验。通过模式切换的控制方法,变换器可在较狭窄的频率范围内获得较宽的电压增益范围。此外,还获得了内在的过流保护功能。其次,针对提出的磁集成设计方案进行实验验证。以1k W的样机作为实验平台,验证了基于所提设计方案制成的变换器在功能上完全可行,同时变换器也能在全负载范围内实现较高的转换效率。
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