【優(yōu)秀碩士博士論文】基于磁集成電感的交錯(cuò)并聯(lián)boost變換器研究與設(shè)計(jì)-答辯版

學(xué)位論文題目基于磁集成電感的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器研究與設(shè)計(jì)英文RESEARCHANDDESIGNOFINTERLEAVEDBOOST題目BASEDONCOUPLINGINDUCTOR摘要電力電子變換器在新能源發(fā)電中占據(jù)了重要的地位，對它也提出了越來越高的要求，逐步向著小型化、集成化、高效性、高功率密度等方向發(fā)展，磁集成技術(shù)就是在這樣的背景下提出并發(fā)展起來的，是電力電子變換器的重要發(fā)展趨勢。本文對反向耦合的磁集成電感在10KW交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，包括其在降低穩(wěn)態(tài)電流紋波及提高變換器瞬態(tài)響應(yīng)上的貢獻(xiàn)。主要研究內(nèi)容如下基于課題要求設(shè)計(jì)了兩相交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在不同占空比下詳細(xì)分析了其工作機(jī)理，計(jì)算其電感電流紋波及輸入電流紋波。根據(jù)電路分析進(jìn)行了主電路參數(shù)設(shè)計(jì)，包括開關(guān)管選型及電感參數(shù)計(jì)算。在分立電感的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器基礎(chǔ)上，對反向耦合磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器進(jìn)行了研究分析。通過研究其工作原理得出穩(wěn)態(tài)等效電感模型，得到了電感電流紋波及輸入電流紋波表達(dá)式，并根據(jù)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)法對該變換器進(jìn)行了小信號(hào)建模，在MATLAB中仿真對比兩種電感結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)，最后研究電感結(jié)構(gòu)對其性能的影響及損耗分析，借助MAXWELL2D進(jìn)行了電磁仿真輔助參數(shù)設(shè)計(jì)。完成了磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST樣機(jī)設(shè)計(jì)與制作。利用MAXWELL2D仿真進(jìn)行電感參數(shù)設(shè)計(jì)，完成了滿足參數(shù)要求的磁集成電感設(shè)計(jì)與制作，并進(jìn)行自感、互感、耦合系數(shù)等的測量。完成控制電路設(shè)計(jì)，包括電壓電流采樣電路及通訊電路，并進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)。最后，在SABER中進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)及效率等的測試。測試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)相對于分立電感不論在穩(wěn)態(tài)紋波還是瞬態(tài)響應(yīng)速度方面性能都有了提升，并且磁件體積也大大變小，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞功率密度，交錯(cuò)并聯(lián)，磁集成電感，電流紋波，瞬態(tài)響應(yīng)ABSTRACTPOWERELECTRONICCONVERTEROCCUPIESTHEIMPORTANTPOSITIONINTHENEWENERGYPOWERGENERATION,ISHIGHERANDHIGHERDEMANDSAREPROPOSEDONIT,STEPBYSTEPTOWARDMINIATURIZATION,INTEGRATION,DEVELOPMENTDIRECTION,SUCHASHIGHEFFICIENCY,HIGHPOWERDENSITY,MAGNETICINTEGRATIONTECHNOLOGYISPUTFORWARDINTHEBACKGROUNDANDDEVELOPMENT,ISTHEIMPORTANTDEVELOPMENTTRENDOFTHEPOWERELECTRONICCONVERTERINTHISPAPER,THEREVERSECOUPLINGOFMAGNETICINTEGRATEDINDUCTANCEINTHEAPPLICATIONOF10KWSTAGGEREDPARALLELBOOSTCONVERTERWERESTUDIED,INCLUDINGITSINREDUCINGSTEADYSTATECURRENTRIPPLEANDIMPROVETHECONTRIBUTIONOFCONVERTERONTHETRANSIENTRESPONSETHEMAINRESEARCHCONTENTISASFOLLOWSDESIGNEDBASEDONTHEREQUIREMENTOFSUBJECTTWOINTERLEAVEDBOOSTCONVERTERINPARALLELSYSTEMSTRUCTUREUNDERDIFFERENTDUTYCYCLESAREANALYZEDINDETAILITSWORKINGPRINCIPLE,CALCULATIONOFTHEINDUCTORCURRENTRIPPLEANDINPUTCURRENTRIPPLEACCORDINGTOCIRCUITANALYSISTODESIGNTHEMAINCIRCUITPARAMETERS,INCLUDINGTHESELECTIONOFSWITCHTUBEANDINDUCTANCEPARAMETERSARECALCULATEDINDISCRETEINDUCTANCESTAGGEREDPARALLELBOOSTCONVERTER,BASEDONTHEINTEGRATIONOFMAGNETICINDUCTANCESTAGGEREDPARALLELBOOSTCONVERTERAREANALYZEDTHROUGHSTUDYTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHESTEADYSTATEEQUIVALENTINDUCTANCEMODEL,OBTAINEDTHEINDUCTORCURRENTRIPPLEANDINPUTCURRENTRIPPLEEXPRESSION,ANDACCORDINGTOTHESWITCHNETWORKTOTHESMALLSIGNALMODELOFTHECONVERTER,ANDANALYZEDTWOKINDSOFINDUCTANCESTEPRESPONSEOFTHESYSTEMSTRUCTURE,FINALLYTOSTUDYTHEEFFECTOFINDUCTANCESTRUCTUREONITSPERFORMANCEANDLOSSANALYSIS,ELECTROMAGNETICSIMULATIONISCARRIEDOUTBYUSINGMAXWELL2DAUXILIARYPARAMETERDESIGNCOMPLETEINTEGRATIONOFMAGNETICINDUCTANCESTAGGEREDPARALLELBOOSTPROTOTYPEDESIGNANDFABRICATIONUSINGMAXWELL2DSIMULATIONINDUCTANCEPARAMETERDESIGN,COMPLETEDTHEMAGNETICINTEGRATEDINDUCTANCETHATCOULDSATISFYTHEREQUIREMENTOFPARAMETERDESIGNANDPRODUCTION,ANDAMEASUREOFTHESELFINDUCTANCE,MUTUALINDUCTANCE,THECOUPLINGCOEFFICIENT,ETCCOMPLETECONTROLCIRCUITDESIGN,INCLUDINGTHEVOLTAGEANDCURRENTSAMPLINGCIRCUITANDCOMMUNICATIONCIRCUIT,ANDTHEOVERALLDESIGNOFSOFTWAREFINALLY,THESYSTEMSIMULATIONINTHESABER,ANDCARRYINGOUTTHEDYNAMICANDSTATICINTHEEXPERIMENTALPROTOTYPEANDEFFICIENCYOFTESTING,TESTRESULTSSHOWTHATTHESTRUCTURERELATIVETOTHEDISCRETEINDUCTORSBOTHINSTEADYSTATERIPPLEANDTRANSIENTRESPONSESPEEDPERFORMANCEHAVETOASCEND,ANDMAGNETICVOLUMEALSODECREASESGREATLY,ACHIEVETHEDESIGNGOALSKEYWORDSPOWERDENSITY,INTERLEAVING,COUPLINGINDUCTOR,CURRENTRIPPLE,TRANSIENTRESPONSE目錄摘要IABSTRACTII目錄IV第1章緒論111研究背景及意義112交錯(cuò)并聯(lián)變換技術(shù)研究現(xiàn)狀213磁集成技術(shù)研究現(xiàn)狀3131多路并聯(lián)變換器中的磁集成技術(shù)4132集成磁件的構(gòu)造技術(shù)及應(yīng)用514主要研究內(nèi)容7第2章交錯(cuò)并聯(lián)BOOST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)821交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)822交錯(cuò)并聯(lián)BOOST結(jié)構(gòu)分析9221工作原理10222電流紋波分析1423交錯(cuò)并聯(lián)BOOST主電路參數(shù)設(shè)計(jì)15231IGBT分析與選型15232電感參數(shù)設(shè)計(jì)1724本章小結(jié)18第3章磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST建模及電感性能研究1931磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST結(jié)構(gòu)分析19311工作原理20312穩(wěn)態(tài)電感及電流紋波分析2432磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST建模27321磁集成電感瞬態(tài)等效模型27322小信號(hào)建模2933磁集成電感結(jié)構(gòu)對其性能影響的研究32331磁芯結(jié)構(gòu)對磁集成電感性能影響32332氣隙對磁集成電感性能影響3634磁集成電感損耗分析37341電感磁芯損耗37342電感繞組銅耗3835本章小結(jié)41第4章磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST樣機(jī)設(shè)計(jì)4241磁集成電感設(shè)計(jì)與制作42411磁集成電感參數(shù)設(shè)計(jì)42412磁集成電感制作與測量4442控制電路設(shè)計(jì)45421采樣電路設(shè)計(jì)46422通訊模塊分析設(shè)計(jì)50423軟件控制總體流程5143本章小結(jié)52第5章系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)分析5351系統(tǒng)仿真分析5352實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析57521電感紋波測試與分析58522瞬態(tài)響應(yīng)測試與分析59523效率測試6053本章小結(jié)60第6章總結(jié)與展望6161全文總結(jié)6162展望62致謝63參考文獻(xiàn)64第1章緒論11研究背景及意義我國目前仍然是發(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展過多得依賴于對不可再生能源的過度開采，環(huán)境污染問題已經(jīng)影響了人們的正常生活及身體健康。環(huán)境保護(hù)與污染治理已提出多年，公眾的認(rèn)識(shí)越來越深刻，國家也出臺(tái)了許多相應(yīng)政策及導(dǎo)向。近日，隨著柴靜的穹頂之下紀(jì)錄片播出，霧霾問題再次引起了廣泛討論及關(guān)注，導(dǎo)致污染越來越嚴(yán)重的根本原因在于能源使用不當(dāng)與監(jiān)管不力，這也大大促進(jìn)了新能源行業(yè)的發(fā)展。尋找清潔可再生能源與合理利用成為了重要議題，電能在所有能源結(jié)構(gòu)中，屬于最清潔、最易于使用和傳輸?shù)哪茉葱问?，于是在太陽能、風(fēng)能、氫能等清潔且可再生的新能源開發(fā)中，通過發(fā)電技術(shù)將這些清潔能源轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)了能源的形式統(tǒng)一和集中使用13。在日常生活中，大部分采用交流電網(wǎng)進(jìn)行電能傳輸，受其電能形式、質(zhì)量及電壓等級(jí)的原因，使很多用電設(shè)備（如現(xiàn)代電子設(shè)備及電動(dòng)汽車儲(chǔ)能設(shè)備大都采用直流電形式，且對電壓等參數(shù)要求各異），不能直接對這種“粗電”加以利用，需要對這些電能進(jìn)行改造。在這種電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中電力電子技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展46，利用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的裝置也稱“電源”。眾所周知，新能源來之不易，在轉(zhuǎn)換過程中要盡可能減少中間環(huán)節(jié)的資源損耗與浪費(fèi)。電源在電力電子系統(tǒng)中不可或缺，在新能源發(fā)電、微電網(wǎng)及電動(dòng)汽車充電等系統(tǒng)中都起到“心臟”的作用7，也肩負(fù)了重要的責(zé)任，近年來對其要求也日益提高，逐步向著小型化、高效率、高功率密度、高可靠性等方向發(fā)展8,9。相比于線性電源，20世紀(jì)五十年代發(fā)展起來的開關(guān)電源在效率、體積、重量、調(diào)節(jié)靈活度等方面都有明顯的優(yōu)勢10，八九十年代在電子信息技術(shù)的促進(jìn)下進(jìn)一步推動(dòng)了開關(guān)電源的大力發(fā)展及應(yīng)用11，許多電源行業(yè)的工程師及專家學(xué)者也在不斷地進(jìn)行探索和創(chuàng)新，以更好地服務(wù)于用電設(shè)備。為了減小電源的體積、提高功率密度，其中一種行之有效的方法是提高開關(guān)頻率12。自從1958年，美國通用電器公司開發(fā)出第一個(gè)工業(yè)晶閘管，開關(guān)器件的研究就不曾停歇13，開關(guān)頻率已經(jīng)從幾十年前的十HZ發(fā)展到現(xiàn)在的MHZ，再加上半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路的封裝技術(shù)等進(jìn)步，使得1970年以來，電源的功率密度幾乎十年翻一番14,15。但開關(guān)頻率的提高受半導(dǎo)體器件的工藝水平限制16，且過高的開關(guān)頻率會(huì)帶來更為嚴(yán)重的EMI問題17。20世紀(jì)80年代末及90年代初，學(xué)者在諧振變換器及軟開關(guān)技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究，實(shí)現(xiàn)了輸出為5V/50W變換器的功率密度提升到80W/IN3的水平，但仍不能滿足日益增長的需求。此外，由于開關(guān)電源中，磁性元件和電容等無源器件占據(jù)了很大一部分體積和重量，磁性元件尤為嚴(yán)重，體積占總體積的1/51/3，重量更是占到了304018,19。綜合因素考慮，要想提高開關(guān)電源的功率密度，根本做法應(yīng)該從磁性元件著手。如福州大學(xué)陳為教授等人所言，高頻磁性元件及磁技術(shù)已經(jīng)成為功率變換器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。隨著新能源電力的發(fā)展，對電源的功率需求也日益增大，各種微電網(wǎng)系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電樁等動(dòng)輒幾十KW的功率，單個(gè)功率管已難以承受，于是開始了多路變換器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)22,23，但是帶來的問題是磁性元件數(shù)量的增加，導(dǎo)致功率密度不降反升。為了減小磁性元件的體積、提高電源的功率密度，除了提高開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)磁性元件的小型化以外，還可以通過集成的方式將多個(gè)磁性元件通過合理的磁路設(shè)計(jì)使其在結(jié)構(gòu)上依附于同一個(gè)磁芯18,24，以實(shí)現(xiàn)磁性元件數(shù)量少、體積小、重量輕、功率密度高，以及降低成本。12交錯(cuò)并聯(lián)變換技術(shù)研究現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代以來，電子信息產(chǎn)業(yè)開始了飛速的發(fā)展，也對電源在功率密度、功率等級(jí)、效率、性能及可靠性等方面提出了更高的要求。在大功率應(yīng)用場合，有分布式和集中式兩種供電方式25，前者采用多個(gè)可獨(dú)立工作的變換器單元并聯(lián)輸出，由主控單元對各個(gè)模塊進(jìn)行控制分配，冗余性和擴(kuò)展性好，但所用器件多、控制復(fù)雜26；后者采用大功率器件或者多個(gè)器件并聯(lián)，控制簡單、成本低，提高了單臺(tái)設(shè)備的輸出功率等級(jí)27?；诩惺焦╇姺绞教岢隽私诲e(cuò)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，如圖11所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位依次相差360/ND11DN21U2U2C1C圖11交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器結(jié)構(gòu)圖圖中將多個(gè)功率變換單元并聯(lián)在一起，通過主控芯片使功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)相互交錯(cuò)一個(gè)相位，即交錯(cuò)并聯(lián)。如此可以實(shí)現(xiàn)容量提高為原來的N倍；功率傳輸分布到每一相中，有利于散熱管理；同時(shí)，電流紋波經(jīng)過谷峰疊加大大降低，可以減少輸出濾波裝置也可以通過維持紋波不變而減小濾波電感量從而使動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快28,29，疊加后的紋波頻率變?yōu)樵瓉淼谋?，能有效減小后級(jí)濾波電路（C或L等濾波方式）中元件的大小。但是，單純的交錯(cuò)并聯(lián)也存在一些缺點(diǎn)，如雖然疊加后總的電流紋波降低了，但是單相電感上的紋波依然只受電感值大小的影響；如果為了提高瞬態(tài)響應(yīng)速度而將每一相的電感量減小，將會(huì)導(dǎo)致電感上的電流紋波增大，從而增大了功率管的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，以及電感電流交流紋波較大帶來的損耗增量，進(jìn)而使變換器整體效率降低，得不償失30。13磁集成技術(shù)研究現(xiàn)狀對“磁”的研究比“電”晚很多，從認(rèn)知的角度，再加上“磁”本身就比較抽象，普遍認(rèn)為“磁”比較復(fù)雜。早期，關(guān)于磁芯結(jié)構(gòu)的研究也比較少，直到20世紀(jì)20年代，有學(xué)者提出了磁集成的概念，在濾波器設(shè)計(jì)中利用磁集成電感取代分立電感以減小變換器的體積31,32。20世紀(jì)70年代末，SLOBODANCUK在CUK變換器中首次成功應(yīng)用了磁集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變換器中所有磁件的集成，不僅能完成分立磁件的功能、降低變換器的體積重量，通過一定的磁路設(shè)計(jì)還能降低輸入輸出電流紋波3336。至80年代，GORDONBLOOM全面分析了磁集成技術(shù)在正激變換器中的應(yīng)用及其理論研究方法，提出了完整的磁耦合原理、電流紋波降低機(jī)制以及磁件設(shè)計(jì)方法37。進(jìn)入21世紀(jì)，美國與工業(yè)界聯(lián)系最緊密的科研機(jī)構(gòu)CPES中科研人員對電力電子業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，其中FREDCLEE團(tuán)隊(duì)在其帶領(lǐng)下對計(jì)算機(jī)電源VRM（VOLTAGEREGULATORMODULE）中磁性元件進(jìn)行了深入的研究，主要集中對VRM的效率及瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，包括磁集成電感動(dòng)靜態(tài)性能及集成方式與分析方法的研究3840。2001年，PITLEONGWONG提出了采用耦合電感能在一定程度上解決電感量與變換器穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)之間的矛盾41。國內(nèi)在集成磁件的研究出現(xiàn)較晚，1998年，陳為教授在其博士論文中詳細(xì)分析了低壓大電流結(jié)構(gòu)中磁集成技術(shù)及其應(yīng)用42，將磁集成技術(shù)應(yīng)用在倍流整流全橋電路結(jié)構(gòu)中43,44，實(shí)現(xiàn)了電感與變壓器的集成，我國在磁集成技術(shù)上才開始了新的突破，也開啟了磁集成元件在大功率場合的應(yīng)用。2002年，南京航空航天大學(xué)的陳乾宏教授在博士論文開關(guān)電源中磁集成技術(shù)的應(yīng)用研究中對國內(nèi)外磁集成技術(shù)的發(fā)展歷史、分析方法等進(jìn)行了詳細(xì)的敘述總結(jié)，研究了磁集成變換器的推導(dǎo)及磁性元件等效電路的建立，結(jié)合正反激有源鉗位變換器中變壓器與電感集成、倍流整流全橋變換器中兩個(gè)相位交錯(cuò)濾波電感的耦合詳細(xì)研究了磁集成變換器的分析設(shè)計(jì)方法，并與傳統(tǒng)分立器件進(jìn)行了比較32。2011年，盧增藝博士在其博士論文中對DC/DC變換器中的磁集成技術(shù)進(jìn)行了整理總結(jié)，提出了直觀的磁路電路綜合時(shí)域分析方法，分析了如何在交錯(cuò)并聯(lián)變換器中利用集成電感的反向耦合性能，并提出利用開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行磁集成變換器的小信號(hào)建模，作出了很大的貢獻(xiàn)31,45,46。但局限于小功率模塊電源VRM等的設(shè)計(jì)，在大功率應(yīng)用場合研究尚欠缺。131多路并聯(lián)變換器中的磁集成技術(shù)分立磁件到集成磁件的演變過程如圖12所示。1I2I1I2圖12磁集成演變過程由圖可以看出，左邊的集成磁件兩個(gè)繞組在磁路上有耦合的作用，而右邊的集成磁件只是磁芯的合體，兩繞組之間磁路關(guān)系互不影響。由于集成方式的靈活性，使得磁集成變換器形式及研究方法也很豐富。磁集成電感應(yīng)用在交錯(cuò)并聯(lián)變換器中，結(jié)構(gòu)如圖13所示。D11DNN1U2U2CC圖13磁集成交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器結(jié)構(gòu)圖圖中結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)的相與相之間通過磁性元件的集成，使其在功能上具有一定的耦合作用，并能減小磁性元件的體積重量，通過分析還知此方法能在電流紋波及其變換器瞬態(tài)響應(yīng)速度上取得平衡4751。遼寧工程大學(xué)的楊玉崗教授所帶團(tuán)隊(duì)在將磁集成技術(shù)應(yīng)用在交錯(cuò)并聯(lián)變換器中做了大量的研究工作。研究分析了交錯(cuò)并聯(lián)變換器中集成磁件的耦合度對變換器性能帶來的影響30；還研究如何利用耦合電感來削減磁芯的直流偏磁以減小磁芯損耗和增大磁芯利用范圍52；以及平面磁集成元件的應(yīng)用、磁集成交錯(cuò)并聯(lián)BUCK/BOOST本質(zhì)安全特性等等5355，對集成磁件的變換器的環(huán)路控制方面也做了相應(yīng)研究，得出了許多重要成果。132集成磁件的構(gòu)造技術(shù)及應(yīng)用類似于電路中的電流，磁通是磁路中非常重要的量，它在磁路中流動(dòng)使磁件有了磁特性。磁集成元件，顧名思義，是將多個(gè)磁件在磁路上進(jìn)行合理設(shè)計(jì)使其集成在同一個(gè)磁芯上，并且由于磁路關(guān)系使得不同繞組的交變磁通相互關(guān)聯(lián)，因此要求磁芯具有多條磁路。按其獲得多磁路的構(gòu)造方法不同可分為改變磁芯結(jié)構(gòu)和不改變磁芯結(jié)構(gòu)兩種。前者為對磁芯進(jìn)行人為改造，將不同結(jié)構(gòu)的磁芯通過合并組合得到多個(gè)分支，后者為對磁芯的制作上進(jìn)行處理，選用那些本身就具有多磁路的磁芯進(jìn)行設(shè)計(jì)56。關(guān)于多磁路的獲得，CHARLESSWALKER較早提出了導(dǎo)磁材料與磁芯進(jìn)行組合的方法。其中，調(diào)節(jié)磁導(dǎo)體與磁芯中間的氣隙不僅可以改變集成磁件的磁通分布，還能借此來控制磁集成變壓器的漏感，由于漏感會(huì)對變換器開關(guān)管的開關(guān)過程有較大的影響，會(huì)引起續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)的電壓尖峰問題等，于是能實(shí)現(xiàn)更好的參數(shù)設(shè)計(jì)57。另外，在磁集成應(yīng)用中，按照參與耦合的磁通屬性及應(yīng)用環(huán)境的不同，可以分為變壓器與電感的集成（其磁通為交流與直流耦合）、電感與電感集成（磁通為交流與交流耦合）等方式。2001年，QUNZHAO提出在BOOST變換器中引入耦合電感，與二極管組成附加支路，以解決二極管反向恢復(fù)問題，并實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS，提高變換器的效率58。另一種應(yīng)用是集成的兩個(gè)電感兩端電壓相差一個(gè)相位，多用于交錯(cuò)并聯(lián)變換器中。因?yàn)殡妷合辔坏慕诲e(cuò)使得繞組匝鏈的交變磁通也交錯(cuò)一個(gè)相位，于是必須采取多磁路的磁芯。按照磁路集成后磁通的耦合關(guān)系將此類集成方式又分為正向耦合和反向耦合，如圖14所示。1N2II1U2U1MRC2MR1C21N2II12U1MCR2M1C2A正向耦合B反向耦合圖14磁集成電感耦合方式正向耦合中，N1繞組和N2繞組產(chǎn)生的磁通在邊柱上的方向相同，表現(xiàn)為磁通增強(qiáng)，在磁芯中柱上產(chǎn)生的磁通方向相反，表現(xiàn)為磁通減弱；反向耦合中，N1與N2繞組產(chǎn)生的磁通在邊柱上的方向相反，表現(xiàn)為磁通減弱，在中柱上產(chǎn)生的磁通方向相同，表現(xiàn)為增強(qiáng)作用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)需求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以獲得最優(yōu)的集成效果。14主要研究內(nèi)容本課題研究設(shè)計(jì)基于磁集成電感的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器，應(yīng)用在10KW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，主要研究內(nèi)容如下（1）交錯(cuò)并聯(lián)BOOST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分析課題設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析其工作原理，得到不同開關(guān)狀態(tài)下電路參數(shù)關(guān)系，對電感電流紋波進(jìn)行分析。根據(jù)電路原理進(jìn)行IGBT及驅(qū)動(dòng)電路選型，在滿足紋波要求下進(jìn)行電感參數(shù)設(shè)計(jì)。（2）磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST建模與電感性能研究對應(yīng)用磁集成電感的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器進(jìn)行原理分析，計(jì)算其各階段等效穩(wěn)態(tài)電感，并依此進(jìn)行電流紋波分析與計(jì)算。分析磁集成電感瞬態(tài)等效模型，并建立磁集成電感的變換器小信號(hào)模型，在MATLAB中進(jìn)行階躍響應(yīng)仿真，并與分立電感結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。研究磁芯結(jié)構(gòu)對電感性能的影響，分析電感磁芯損耗及繞組損耗產(chǎn)生機(jī)理及降低方法，并在MAXWELL2D中進(jìn)行電磁仿真，為電感設(shè)計(jì)與制作提供指導(dǎo)。（3）磁集成交錯(cuò)并聯(lián)BOOST樣機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)滿足參數(shù)要求的磁集成電感，借助MAXWELL2D進(jìn)行電感量、磁通密度等仿真，制作磁集成電感并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測量。設(shè)計(jì)基于TMS320F28335主控芯片的控制電路，并設(shè)計(jì)軟件控制流程。（4）磁集成交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器仿真與實(shí)驗(yàn)分析根據(jù)前面章節(jié)所設(shè)計(jì)參數(shù)，在SABER中進(jìn)行變換器閉環(huán)仿真，使用MAST語言編程進(jìn)行輔助控制，對磁集成電感與分立電感的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器在電流紋波及瞬態(tài)響應(yīng)速度進(jìn)行對比分析。進(jìn)行各種工作條件下的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形及數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。第2章交錯(cuò)并聯(lián)BOOST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)本課題所設(shè)計(jì)的變換器應(yīng)用在10KW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，輸入為380V直流母線，DC/DC作為三相并網(wǎng)逆變器的前級(jí)升壓部分，如圖21所示。要求其在滿足電流紋波的前提下能實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下的快速響應(yīng)。DC/ACDC/DC控制單元DCBUSU1U2圖2110KW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)圖對DC/DC提出的參數(shù)要求如表21所示。表21DC/DC變換器規(guī)格指標(biāo)輸入電壓350V430V最大輸入電流DC34A輸出電壓650V700V最大輸出電流DC18A輸出電流紋波05時(shí)，兩相開關(guān)管之間有重疊的導(dǎo)通狀態(tài)，其工作過程與占空比05）階段（12T）如圖27（B）所示，此階段開關(guān)管1導(dǎo)通，2關(guān)斷狀態(tài)，電感L處于充電狀態(tài)，電流上升；電感2L處于放電狀態(tài)，電流下降，電源通過其向輸出濾波電容充電，并向負(fù)載供電，此時(shí)電路中電壓電流關(guān)系由式（210）表示。1220LIIOOCDVUTDICTRMERGEFORMAT210階段（23T）如圖28（A）所示，此階段與階段相同，開關(guān)管1Q和2Q均導(dǎo)通，電感處于充電狀態(tài)，電流上升，電容放電維持輸出電壓，電路中電壓電流關(guān)系可由式（211）所示。120LIIOCDVUTDICTRMERGEFORMAT2111D21Q2RCIUOU1L21D21Q2IUO1L2（A）3T（B）34T圖28交錯(cuò)并聯(lián)BOOST工作階段和階段（D05）階段（34T）如圖28（B）所示，此階段與階段類似，開關(guān)管2Q導(dǎo)通，2L處于充電狀態(tài)，電流上升；1Q關(guān)斷，電感1L電流下降，電源通過其向輸出濾波電容充電，并向負(fù)載供電。電路中電壓電流關(guān)系如式（212）所示。1210LIOIOOCDVUTDICTRMERGEFORMAT212同樣由穩(wěn)定狀態(tài)下電感伏秒數(shù)平衡得出輸入輸出電壓關(guān)系與式（26）相同，與占空比大小無關(guān)，繪出主要電路波形如圖29所示。1GI2LII1G201T23T45T67TT圖29交錯(cuò)并聯(lián)BOOST工作波形圖（D05）電感電流紋波為01T期間電流變換量，與式（27）相同，同理可得輸入電流紋波由式（213）表示。1_2_OSILUTIDLMERGEFORMAT213222電流紋波分析由圖26及圖29可以看出，單相電感上電流紋波較大，變化頻率與開關(guān)頻率相同，因?yàn)閮砷_關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位相互交錯(cuò)了180，使得輸入電流（兩相電感電流之和）為電感電流鋸齒波進(jìn)行交錯(cuò)疊加、峰谷相消，最后得到輸入電流紋波波形為圖中綠色顯示，可見，交錯(cuò)并聯(lián)使得總紋波幅值降低、頻率變?yōu)樵瓉淼膬杀?。由式?8）及（213）可知，輸入電流紋波與占空比、電感量有關(guān)。繪出輸入電流紋波與占空比的關(guān)系曲線如圖210所示。圖210兩相交錯(cuò)并聯(lián)BOOST輸入電流紋波與占空比關(guān)系圖由圖可以看出，采用交錯(cuò)并聯(lián)的方式在一定程度上能大大降低總的電流紋波，在不同占空比下降低程度不同，理想情況下，在50占空比時(shí)電流紋波下降為零，因此，當(dāng)占空比在50附近時(shí)，并聯(lián)相數(shù)為二時(shí)對降低紋波的貢獻(xiàn)最大。但是，對于單個(gè)電感而言，電流紋波不會(huì)因?yàn)榻诲e(cuò)并聯(lián)而產(chǎn)生變化。23交錯(cuò)并聯(lián)BOOST主電路參數(shù)設(shè)計(jì)231IGBT分析與選型由表21進(jìn)行IGBT選型，并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)與電路選型。具有高速通斷能力的開關(guān)管是開關(guān)電源的關(guān)鍵器件，也是主要失效及損耗來源，它的可靠動(dòng)作是電源安全穩(wěn)定的保證，因此，合理的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)也是開關(guān)電源穩(wěn)定性和高效率的前提。IGBT相比較MOSFET而言，工作頻率較低（大功率時(shí)在幾十KHZ左右），但在大功率應(yīng)用場合因其成本低、集成度好得到廣泛使用。圖211為功率IGBT的等效電氣模型。CGELEADLCELGGELEADLLEAD圖211IGBT電路模型圖中，GL、C、E為器件封裝造成的寄生電感，LEADL為線路寄生電感，GC、E、為極間寄生電容。繪出開通過程中主要電壓電流波形如圖212所示。10VTHXV0DCGATEV5T1T23TCI圖212IGBT開通過程0T時(shí)刻開始，驅(qū)動(dòng)電流抽取GEC中的電荷，使柵極電壓緩慢升高，達(dá)到開啟電壓以后，集電極開始有電流流過；1T時(shí)刻開始，驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到密勒平臺(tái)，DCV開始下降，由于密勒效應(yīng)使得柵極電壓維持一個(gè)穩(wěn)定值；2T以后，CI達(dá)到最大值，GE快速上升到最大值，DCV繼續(xù)下降至閾值電壓以下，開通過程完成。由上述分析可知，L、GC的存在使得開關(guān)過程變慢，從而使IGBT兩端電壓及流過它的電流波形重疊面積增大而導(dǎo)致開通損耗變大，因此，一般選取較小的EL、GC及柵極驅(qū)動(dòng)電阻以獲得較快的開通速度。功率IGBT選型時(shí)主要考慮耐壓值、導(dǎo)通壓降、電流裕量、開關(guān)參數(shù)等。根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的要求并考慮一定的裕量，選用1200V的IGBT，輸入電壓最低時(shí)開關(guān)管通過電流最大，有效值為15A，綜合考慮選用英飛凌FF50R12RT4，下表為IGBT及反并聯(lián)二極管在125下對應(yīng)主要參數(shù)。表22FF50R12KT4主要參數(shù)IGBTGESV20VCESV1200VTH58VI50A反并聯(lián)二極管SAT215VRM1200VGETH58VFI50AQ038V165VINTR40RQ90C由上表可知柵極發(fā)射極峰值電壓為20V，為了加快IGBT關(guān)斷、避免二次開通現(xiàn)象，往往會(huì)給柵極提供負(fù)壓進(jìn)行關(guān)斷，本設(shè)計(jì)中采取15V開通，10V關(guān)斷，開關(guān)頻率為20KHZ。通過上表中的參數(shù)可以計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)平均功率及驅(qū)動(dòng)峰值電流如下式。632503812019AVERGECSPVQFWMERGEFORMAT214INT2541GEGGVIARMERGEFORMAT215綜合情況，選用CONCEPT的2SC0435T作為IGBT驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)功率高達(dá)4W，峰值驅(qū)動(dòng)電流達(dá)35A，效率高、支持最高頻率為100KHZ，滿足本設(shè)計(jì)要求。測試得到其驅(qū)動(dòng)波形如圖213所示。圖213IGBT驅(qū)動(dòng)波形由上圖可知，驅(qū)動(dòng)上升時(shí)間約為200NS，可以看到明顯的密勒平臺(tái)，維持時(shí)間為400NS，基本滿足設(shè)計(jì)要求。232電感參數(shù)設(shè)計(jì)電感在電路中起限制電流變化率的作用，感值越大，電流變化越緩慢，對應(yīng)的電流紋波越小，變換器瞬態(tài)響應(yīng)也越慢，體積越大；反之，感值越小，電流紋波越大，體積則小，且瞬態(tài)響應(yīng)速度更快。對電感量的選取需要綜合權(quán)衡多方面因素，電感電流紋波率R是用來描述電流紋波相對程度的，它是電感設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要的參量，圖214給出了CCM模式下R與電感電流各分量之間的關(guān)系。DCIACIMODE2DCRI圖214CCM模式下電感電流紋波率由圖可知，R為電感電流交流分量與直流分量比值的兩倍，經(jīng)典設(shè)計(jì)中，取04以平衡電流紋波和電感體積之間的矛盾。在交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，由于紋波的谷峰削減作用，單相電感量可以適量降低以減小體積和提高瞬態(tài)響應(yīng)速度，取08R，通過穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電流紋波及其兩端電壓之間的關(guān)系，其中，3IUV、50STS、/215LINIA、046D，計(jì)算電感量。79IISLDUHIRMERGEFORMAT21624本章小結(jié)本章首先根據(jù)課題要求進(jìn)行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了兩相交錯(cuò)并聯(lián)BOOST工作原理，得到電感電流及輸入電流紋波表達(dá)式，并分析了交錯(cuò)并聯(lián)紋波削減原理。然后進(jìn)行了主電路參數(shù)設(shè)計(jì)，包括主開關(guān)選型與電感參數(shù)設(shè)計(jì)。第3章磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST建模及電感性能研究由第二章分析可知，交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器可實(shí)現(xiàn)輸入電流低紋波，但電感電流紋波不會(huì)因?yàn)椴⒙?lián)而降低，對應(yīng)磁芯中的交流磁通量也不變，對磁件的體積及損耗等沒有實(shí)質(zhì)性的變化，且電感量要在電流紋波及瞬態(tài)響應(yīng)速度兩者矛盾間進(jìn)行妥協(xié)設(shè)計(jì)。因此，為了實(shí)現(xiàn)低紋波與快速瞬態(tài)響應(yīng)的平衡，本文采用基于磁集成電感的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST結(jié)構(gòu)。31磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST結(jié)構(gòu)分析在磁集成電感中，根據(jù)兩繞組產(chǎn)生磁通之間相互耦合關(guān)系的增強(qiáng)或者減弱，分為正向耦合和反向耦合兩種結(jié)構(gòu)。圖31所示為雙繞組磁集成電感模型。1I2II2ULM1U圖31雙繞組磁集成電感其中，1L與2為線圈自感，為繞組間互感，正向耦合下1，反向耦合下。假設(shè)自感相等，即12L，則耦合系數(shù)可表示為。12MKMERGEFORMAT31當(dāng)線圈L與同時(shí)通有電流1I和2時(shí)，將分別在兩個(gè)繞組上產(chǎn)生磁鏈，互感的存在在對方繞組上產(chǎn)生交鏈，由伏安特性得式（32）并進(jìn)行數(shù)學(xué)變換如式（33）。121212DIIUTTLMMERGEFORMAT32111211211222222DIIDIIDIIULMLMTTTTTTDMERGEFORMAT33于是可將耦合電感變換為三電感的形式，電路結(jié)構(gòu)如圖32所示。1L2M12I1I2圖32耦合電感等效模型本文重點(diǎn)研究反向耦合磁集成電感在兩相交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器中的應(yīng)用，并將其與分立電感結(jié)構(gòu)在電感電流紋波及輸入總紋波進(jìn)行對比分析。其主電路結(jié)構(gòu)如圖33所示，兩開關(guān)管占空比大小相等，驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差180。1L21D21Q2RCIUOUM圖33反向耦合電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器拓?fù)鋱D311工作原理（1）D05時(shí)，變換器工作狀態(tài)也分為四個(gè)階段，與D05）由圖可見，電感1L在階段與對應(yīng)的電流上升波形更陡峭，與D05相比，波形畸變發(fā)生在電感充電過程中。312穩(wěn)態(tài)電感及電流紋波分析（1）穩(wěn)態(tài)等效電感以占空比小于50為例進(jìn)行分析。將式（34）進(jìn)行變換為下式。21221UDTIMTILMERGEFORMAT317將上式進(jìn)行變換，得到電感電流變化率表達(dá)式如下。21221LUDTIMERGEFORMAT318其中，U與分別為集成電感繞組1N與2兩端對應(yīng)的電壓，1U和2均可由I和O或其組合式來表示，各階段表達(dá)式如表31所示。表31電感電壓表達(dá)式階段/項(xiàng)目1U2UIOIOOIUIUO其中，KLM，IODU1/，于是可得到個(gè)階段等效電感值如表32所示，這就是磁集成電感的解耦過程。表32等效電感值等效電感/繞組1N2N1EQL2KL1DKL23EQ21DK21K4LLL對于繞組1N而言，在占空比小于05時(shí)，其電感穩(wěn)態(tài)電流紋波大小由1EQL決定，于是EQ也被稱為磁集成電感的穩(wěn)態(tài)等效電感。當(dāng)05D、13K時(shí)，計(jì)算得43EL。由式（216）知，為了獲得與分立電感相同電感電流紋波，即等效穩(wěn)態(tài)電感為1729EQH時(shí)，磁集成電感的自感值可取為。54MERGEFORMAT319（2）電流紋波分析以1L為例進(jìn)行分析，由圖36及圖38可知，電感1L上的電流紋波數(shù)學(xué)表達(dá)式為。120D51IOLSOIMUIDTMERGEFORMAT320_IN22I05111IOIORPLESRLSLMULUIDTDDTMERGEFORMAT321由MKL、IOU得到電感電流紋波及總輸入電流紋波表達(dá)式可以變?yōu)橄旅嫘问健21051OSRIPLELRILUTDKILMERGEFORMAT322IN1_2_I105OSLUTDIKLDMERGEFORMAT323當(dāng)輸出電壓、開關(guān)頻率、自感量一定時(shí)，電感上的紋波電流與占空比及耦合系數(shù)相關(guān)，在MATLAB中繪出3D圖形如圖39所示。（A）（B）圖39電感電流紋波與耦合系數(shù)的關(guān)系圖（A）為電感的電流紋波系數(shù)與耦合系數(shù)K、占空比D的關(guān)系曲線占空比在50附近，紋波系數(shù)隨著耦合系數(shù)的增強(qiáng)有較大幅度降低；另一方面，隨著耦合系數(shù)的增大，紋波系數(shù)有所降低，但耦合系數(shù)達(dá)到一定程度（即強(qiáng)耦合下），由于電感性質(zhì)已發(fā)生改變，此時(shí)，紋波系數(shù)有增強(qiáng)的趨勢。圖（B）為輸入電流紋波系數(shù)與耦合系數(shù)及占空比的關(guān)系曲線由于使用了兩相交錯(cuò)并聯(lián)，使得在50占空比附近，紋波系數(shù)下降最低，在弱耦合下隨著耦合系數(shù)的增大，紋波系數(shù)沒有太大變化。對電感電流紋波在單一變量下進(jìn)行對比分析，在MATLAB中畫出對應(yīng)二維變化曲線如圖310。（A）（B）圖310電感電流紋波與耦合系數(shù)的關(guān)系圖（A）表示了在占空比為50時(shí)，電感電流紋波系數(shù)隨耦合系數(shù)（0095）的變化，耦合系數(shù)越大，紋波越低。圖（B）表示耦合系數(shù)為0（無耦合，即采用分立電感情況）及1/3時(shí)候，電感電流紋波系數(shù)與占空比之間的關(guān)系及其對比，由圖可見，在50附近耦合電感能有效降低電感上的電流紋波。得出如下結(jié)論在兩相交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，相同電感量的情況下，采用磁集成電感能有效降低單相電感上的電流紋波，從而能減小電感的體積及其損耗，具有重要的意義。32磁集成電感交錯(cuò)并聯(lián)BOOST建模321磁集成電感瞬態(tài)等效模型瞬態(tài)電感直接影響變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及其調(diào)節(jié)性能，是變換器性能的重要衡量指標(biāo)，因此有必要對其進(jìn)行詳細(xì)分析。設(shè)變換器輸出電壓恒定，研究負(fù)載與開關(guān)管占空比之間的變化關(guān)系，負(fù)載動(dòng)態(tài)變換時(shí)產(chǎn)生的占空比擾動(dòng)在并聯(lián)的兩單元中為相同的。1G1LIT2DI012345TT圖311磁集成電感瞬態(tài)電流波形圖311為占空比波動(dòng)D時(shí)，磁集成電感上的電流瞬態(tài)變動(dòng)波形圖，由前述分析得到的各階段等效電感值，可以計(jì)算得到各個(gè)階段電感電流波動(dòng)值，假設(shè)AIBOVUMERGEFORMAT324則計(jì)算過程表示如下，01122334250505ABSEQSEBSEQEBSEQTIDTLVTITITLVTIDTITLMERGEFORMAT325由上式進(jìn)而可求得一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流變化值。23151SEQBEQAKDLVVIIMERGEFORMAT326又因?yàn)榉€(wěn)態(tài)狀態(tài)下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感上的電流變化量為零。0231VVDLIEQBEQBEQAMERGEFORMAT327將式（327）代入式（326），可得化簡后一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流因?yàn)檎伎毡炔▌?dòng)帶來的增量及其變化率為。221BSEQOSEQVDTLUILMERGEFORMAT328由式（328）可以看出，當(dāng)輸出電壓一定時(shí)，變換器的瞬態(tài)響應(yīng)完全由階段（繞兩端兩端電壓相等）對應(yīng)的磁集成電感的等效電感決定，與其他階段等效電感值無關(guān)。這是因?yàn)椋诮诲e(cuò)并聯(lián)變換器中，并聯(lián)的各相之間采用相同的占空比，只是相位進(jìn)行了交錯(cuò)，在瞬態(tài)變化過程中，并聯(lián)的兩相開關(guān)管占空比增量D相同，此時(shí)，施加在繞組上的電壓增量為DUUDUVOOIITR1MERGEFORMAT329則兩個(gè)繞組上的電壓增量也相同，由上節(jié)的分析可知當(dāng)兩個(gè)繞組兩端電壓相等時(shí)對應(yīng)于階段。在平均小信號(hào)模型中，TRV可被看作是電壓擾動(dòng)，它對兩個(gè)繞組產(chǎn)生同樣的作用，因此電壓增量帶來的電感電流變化率可表示為。22EQTREQOSLVUTIMERGEFORMAT330由上式可知，基于電感的平均小信號(hào)模型得出的電感電流變化率與階段對應(yīng)的電感有關(guān)，這也解釋了磁集成交錯(cuò)并聯(lián)變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于2EQL，與式（242）中的控制到輸入電流傳遞函數(shù)中等效電感為LM相對應(yīng)。因此2EQL也被稱作是瞬態(tài)等效電感，為了獲得更快的響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能降低的大小。且通過前述分析知，交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器中應(yīng)用的反向耦合磁集成電感穩(wěn)態(tài)等效電感與瞬態(tài)等效電感可以進(jìn)行完全解耦，設(shè)計(jì)時(shí)增大穩(wěn)態(tài)電感量，有利于減小電感紋波、降低變換器的輸入輸出紋波，從而降低電感磁芯損耗及濾波電容大?。粶p小瞬態(tài)電感量，有利于系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，設(shè)計(jì)時(shí)對穩(wěn)態(tài)電流紋波和瞬態(tài)響應(yīng)速度這兩個(gè)相互矛盾的需求上取得一定的平衡。而在無耦合的分立電感構(gòu)成的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器中，穩(wěn)態(tài)電感與瞬態(tài)電感相同，無法同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)的要求，需求進(jìn)行妥協(xié)設(shè)計(jì)，必然會(huì)影響變換器的性能。322小信號(hào)建模本文所設(shè)計(jì)PWM開關(guān)變換器采用非隔離型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其唯一的控制量為開關(guān)管的占空比，要對其輸出電壓或者電流進(jìn)行合理的控制，首先，要對系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并求得占空比到輸出的傳遞函數(shù)，并以此為控制對象進(jìn)行控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中交流小信號(hào)擾動(dòng)為低頻信號(hào)，而開關(guān)紋波是高頻的信號(hào)，它的影響可忽略，因此通過在一個(gè)開關(guān)周期求平均的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模是可行的。又由于電路中低通濾波器的存在，近似認(rèn)為開關(guān)周期內(nèi)的平均值與瞬態(tài)值相等，即變換器滿足低頻假設(shè)和小紋波假設(shè)，以電感電流和電容電壓作為狀態(tài)變量，進(jìn)行電路等效變換。采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)建模法對兩相交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器進(jìn)行小信號(hào)建模時(shí)，先根據(jù)電路不同模態(tài)分析，進(jìn)行狀態(tài)變量的開關(guān)周期平均計(jì)算，然后進(jìn)行直流分量與交流小信號(hào)分量分離，忽略高頻小信號(hào)量，建立開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的變壓器等效模型及變換器頻域等效電路，即可分析得到占空比到輸出的傳遞函數(shù)。文獻(xiàn)59中對BOOST變換器開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了變壓器等效建模59，此處不再贅述。其對應(yīng)變換關(guān)系如圖312所示。2VDS1D1IDS1I2V1V2SI1TV2T1TI2QD圖312BOOST開關(guān)網(wǎng)絡(luò)小信號(hào)建模對于交錯(cuò)并聯(lián)變換器而言，在開關(guān)周期為基準(zhǔn)的所謂“宏觀時(shí)間”上，并聯(lián)的兩相之間對狀態(tài)變量的周期平均表述為相同的，只是在一個(gè)周期內(nèi)部有時(shí)序的移動(dòng)，因此其開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型是相同的。建立采用分立電感的兩相交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器小信號(hào)模型如圖313所示。SIV1SL1OVDS2OVDS2SLD11IDS2IDSCRSOVIIIOIC圖313兩相交錯(cuò)并聯(lián)BOOST小信號(hào)等效電路上圖中，由基爾霍夫定律便可求得任意兩變量之間的傳遞函數(shù)表達(dá)式。求占空比到輸出的傳遞函數(shù)時(shí)，假設(shè)輸入電壓擾動(dòng)量為零，即S0IV。等效變壓器原邊回路利用基爾霍夫電壓定律可建立其電路關(guān)系式為。11SSOOVDDVLIMERGEFORMAT33122MERGEFORMAT332等效變壓器副邊回路利用基爾霍夫電流定律可建立其電路關(guān)系式為。1111SS1S|OIIIDIDVRCMERGEFORMAT333理想工作情況下，并聯(lián)的兩相電路占空比及流過電流均相等，則121205SSILIIDIDDMERGEFORMAT334化簡得輸出電壓OV對控制量的傳遞函數(shù)如式（335）。2_S021|IIVDDMVLSVDRGCDMERGEFORMAT335同理，可以算出電感電流之和SI對控制量SD的傳遞函數(shù)為。_S022|IIIDDMVVRDLDMERGEFORMAT336同理，可根據(jù)反向耦合磁集成電感的等效電路模型及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的小信號(hào)等效電路，可以建立本文所設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)的小信號(hào)等效電路如下圖所示。SIV1SLM1OVDS2OVDSD11IDS2IDSCRSOVI2IIOICSL圖314反向耦合電感的交錯(cuò)并聯(lián)BOOST小信號(hào)等效電路同樣由上圖可以進(jìn)行S域電路計(jì)算，由基爾霍夫定律可得出以下計(jì)算式。11122221101/|IOOIOMISLVDSDVSSDIDIIRCMERGEFORMAT337此處，式（217）中所示的采用分立電感時(shí)的關(guān)系仍能滿足。經(jīng)過化簡則可以得出控制DS對輸出電壓OVS的傳遞函數(shù)如下式。2_S021|IIVDCMVLSVDRGCDMERGEFORMAT338同理，計(jì)算得到控制S到輸入電感電流之和IS的傳遞函數(shù)為。_022|IIIIDCMVVRGDLMCDMERGEFORMAT339分別比較式（335）與式（338）可知，兩種電感結(jié)構(gòu)構(gòu)成電路的控制到輸出電壓傳遞函數(shù)是相同的，則采用反向耦合的磁集成電感對輸出電壓控制環(huán)路不造成影響，比較式（336）與式（339）知，磁集成對電感電流控制環(huán)路有影響，等效電感為L。在保證DM及CM兩種情況電感電流紋波相同前提下進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)的比較分析，即選擇CM自感值為54H，DM電感為729H，輸出濾波電容為10F。由式（336）及式（339）計(jì)算得DM及CM兩種電感在兩相交錯(cuò)并聯(lián)變換器中占空比到輸入電流的傳遞函數(shù)分別表示為。_662280S45713510IDDMSGMERGEFORMAT340_6629IDCSSMERGEFORMAT341在MATLAB中利用SISOTOOL進(jìn)行仿真，并繪出其開環(huán)階躍效應(yīng)曲線如圖315所示。（A）DM階躍響應(yīng)（B）CM階躍響應(yīng)圖315占空比到輸入電流階躍響應(yīng)曲線由圖可知，在保證電感電流紋波相同的情況下，采用耦合系數(shù)為1/3的耦合電感變換器獲得比分立電感變換器更優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)效果。33磁集成電感結(jié)構(gòu)對其性能影響的研究磁集成電感是本課題的關(guān)鍵，對整個(gè)設(shè)計(jì)起到舉足輕重的作用，然而電感又是一個(gè)多耦合的器件，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多方面的因素，如磁芯結(jié)構(gòu)、磁通密度、氣隙等等，需要進(jìn)行詳細(xì)的磁路分析。331磁芯結(jié)構(gòu)對磁集成電感性能影響鐵氧體材料的磁芯高頻損耗小，在高頻設(shè)計(jì)時(shí)是很好的選擇，但是它的飽和磁密較低，使用時(shí)應(yīng)該十分注意。另外，雖然耦合電感與分立電感在交錯(cuò)并聯(lián)變換器中的電路工作原理及開關(guān)管控制時(shí)序上類似，但其中的磁性元件的設(shè)計(jì)是十分迥異的。要得到磁集成電感在數(shù)量上的計(jì)算及相互間的關(guān)系，需要對其進(jìn)行直流磁路分析，如圖316所示。1NI2IVV1R2RCININ圖316磁集成電感結(jié)構(gòu)及磁路等效模型由安培環(huán)路定律及磁通連續(xù)性定律有。221211INRCMERGEFORMAT342因此，可以分別得出兩側(cè)柱上的直流磁通量為，1212121212221211IRRNIRCCCCCCMERGEFORMAT343于是，由上式進(jìn)一步可以求得繞組兩端電壓值。DTIRRNDTIRRNDTUCCCCCCCC12121221212222112111MERGEFORMAT344在對稱結(jié)構(gòu)中，、