基于磁集成电感的交错并联boost变换器研究与设计

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h学位论文题目基于磁集成电感的交错并联boost变换器研究与设计英文ResearchandDesignofInterleavedBoost题目basedonCouplingInductor摘要电力电子变换器在新能源发电中占据了重要的地位，对它也提出了越来越高的要求，逐步向着小型化、集成化、高效性、高功率密度等方向发展，磁集成技术就是在这样的背景下提出并发展起来的，是电力电子变换器的重要发展趋势。本文对反向耦合的磁集成电感在10kW交错并联boost变换器中的应用进行了深入研究，包括其在降低稳态电流纹波及提高变换器瞬态响应上的贡献。主要研究内容如下：基于课题要求设计了两相交错并联boost变换器系统结构。在不同占空比下详细分析了其工作机理，计算其电感电流纹波及输入电流纹波。根据电路分析进行了主电路参数设计，包括开关管选型及电感参数计算。在分立电感的交错并联boost变换器基础上，对反向耦合磁集成电感交错并联boost变换器进行了研究分析。通过研究其工作原理得出稳态等效电感模型，得到了电感电流纹波及输入电流纹波表达式，并根据开关网络法对该变换器进行了小信号建模，在MATLAB中仿真对比两种电感结构的系统阶跃响应，最后研究电感结构对其性能的影响及损耗分析，借助Maxwell2D进行了电磁仿真辅助参数设计。完成了磁集成电感交错并联boost样机设计与制作。利用Maxwell2D仿真进行电感参数设计，完成了满足参数要求的磁集成电感设计与制作，并进行自感、互感、耦合系数等的测量。完成控制电路设计，包括电压电流采样电路及通讯电路，并进行软件总体设计。最后，在saber中进行系统仿真，并在实验样机上进行了动静态及效率等的测试。测试结果表明该结构相对于分立电感不论在稳态纹波还是瞬态响应速度方面性能都有了提升，并且磁件体积也大大变小，实现了设计目标。关键词：功率密度，交错并联，磁集成电感，电流纹波，瞬态响应AbstractPowerelectronicconverteroccupiestheimportantpositioninthenewenergypowergeneration,ishigherandhigherdemandsareproposedonit,stepbysteptowardminiaturization,integration,developmentdirection,suchashighefficiency,highpowerdensity,magneticintegrationtechnologyisputforwardinthebackgroundanddevelopment,istheimportantdevelopmenttrendofthepowerelectronicconverter.Inthispaper,thereversecouplingofmagneticintegratedinductanceintheapplicationof10kwstaggeredparallelboostconverterwerestudied,includingitsinreducingsteady-statecurrentrippleandimprovethecontributionofconverteronthetransientresponse.Themainresearchcontentisasfollows:Designedbasedontherequirementofsubjecttwointerleavedboostconverterinparallelsystemstructure.Underdifferentdutycyclesareanalyzedindetailitsworkingprinciple,calculationoftheinductorcurrentrippleandinputcurrentripple.Accordingtocircuitanalysistodesignthemaincircuitparameters,includingtheselectionofswitchtubeandinductanceparametersarecalculated.Indiscreteinductancestaggeredparallelboostconverter,basedontheintegrationofmagneticinductancestaggeredparallelboostconverterareanalyzed.Throughstudytheworkingprincipleofthesteadystateequivalentinductancemodel,obtainedtheinductorcurrentrippleandinputcurrentrippleexpression,andaccordingtotheswitchnetworktothesmallsignalmodeloftheconverter,andanalyzedtwokindsofinductancestepresponseofthesystemstructure,finallytostudytheeffectofinductancestructureonitsperformanceandlossanalysis,electromagneticsimulationiscarriedoutbyusingMaxwell2dauxiliaryparameterdesign.Completeintegrationofmagneticinductancestaggeredparallelboostprototypedesignandfabrication.UsingMaxwell2dsimulationinductanceparameterdesign,completedthemagneticintegratedinductancethatcouldsatisfytherequirementofparameterdesignandproduction,andameasureoftheselfinductance,mutualinductance,thecouplingcoefficient,etc.Completecontrolcircuitdesign,includingthevoltageandcurrentsamplingcircuitandcommunicationcircuit,andtheoveralldesignofsoftware.Finally,thesystemsimulationinthesaber,andcarryingoutthedynamicandstaticintheexperimentalprototypeandefficiencyoftesting,testresultsshowthatthestructurerelativetothediscreteinductorsbothinsteadystaterippleandtransientresponsespeedperformancehavetoascend,andmagneticvolumealsodecreasesgreatly,achievethedesigngoals.Keywords:Powerdensity,interleaving,couplinginductor,currentripple,transientresponse

目录摘要

第5章系统仿真与实验分析根据前面几章节的理论分析与计算，本章首先进行了saber建模与仿真，分析比较磁集成电感与分立电感的区别，进行对比分析并优化设计参数，在实验样机上进行各种工作状况及效率、纹波等性能指标的测试并分析实验结果，并对是否满足课题设计要求进行验证。5.1系统仿真分析为更加真实的反应实际情况，本设计在专业电源仿真软件saber中建立仿真平台，采用模块化方案对驱动及PID模块分别进行设计。驱动模块：采用MAST硬件描述语言对IGBT驱动部分进行编程设计，如图所示，其属性参数有驱动电压、开关频率、上升沿及下降沿，输入接口为占空比的数字值，输出为相互交错180°的两路驱动波形，根据参数及实时占空比对IGBT进行相应控制。MAST语言较为复杂，非本论文研究内容，此处不作赘述，截取其部分程序如图5-1所示。templateacp p1m1p2m2p3m3p4m4duty=tr,tf,period,low_drv,high_drv,deadtimeelectrical p1,m1,p2,m2,p3,m3,p4,m4inputnu dutynumber tr,tf,period,low_drv,high_drv,deadtime{branch vout1=v(p1,m1)，iout1=i(p1->m1)branch vout2=v(p2,m2)，iout2=i(p2->m2)branch vout3=v(p3,m3)，iout3=i(p3->m3)branch vout4=v(p4,m4)，iout4=i(p4->m4)state time next_step1=0，next_step2=0，tr_begin1=-1，tr_end1=-1，tf_begin1=-1，tf_end1=-1，tr_begin2=-1，tr_end2=-1，tf_begin2=-1，tf_end2=-1图5-SEQ图5-\*ARABIC1MAST语言编写驱动程序Saber中驱动电路采用模块化方法，其过程如图5-2所示。首先用MAST语言编写驱动信号子模块，根据输入占空比大小，输出符合两相交错并联boost时序的开关管驱动波形，将该模块与两个半桥电路进行结合，生成开关管模块，输入端口为占空比数字值，输出端口为半桥中点及输出直流电压母线，再次基础上生成驱动模块，输入为半桥电路中点及占空比，输出为母线电压。（a）驱动波形 （b）硬件电路 （c）驱动模块 图5-SEQ图5-\*ARABIC2驱动模块设计PID模块：采用经典PI控制算法，如5-3图所示。对输出电压采样并根据目标值进行归一化，与1进行比较得到电压环误差值，经过PI运算得到的输出量作为电流内环的参考值，与归一化后的电感电流进行比较，得到电流环误差值并进行PI运算，输出值进行限幅防止饱和，最终得到占空比的大小，作为驱动模块的输入，对IGBT进行控制，从而实现电压电流双闭环负反馈，对系统进行快速稳定的控制。图5-SEQ图5-\*ARABIC3PID模块驱动模块及PID模块作为电路中一个部件，与磁集成电感、滤波电容及电源、负载等构成完整的电路系统，其仿真系统如图5-4所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC4CM主电路仿真模型图模型建立完成以后，对系统进行瞬态分析，以得到各点电压电流波形及相关时序关系，仿真参数设置为：仿真步长为1us，总时间为0.2s，一个开关周期内进行50次运算，能满足仿真精度的要求，及系统达到稳定所需求的时间要求。仿真完成后，得到的稳态波形如图5-5所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC5电流仿真波形图图中SKIPIF1<0及SKIPIF1<0分别为对应相的电感电流波形，纹波峰峰值为11.9A，有效值为13.9A，则其电流纹波率为0.85。i_dc为两相电感电流叠加后的波形，纹波值削减为3.3A。同样条件下，采用分立电感方案进行saber建模，主电路部分如图5-6所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC6DM主电路仿真图设定各参数与CM中相同，得到仿真结果如图5-7。图5-SEQ图5-\*ARABIC7DM仿真结果波形图由图可见，电感上的电流纹波为14.7A，有效值为13.6A，电流纹波率为1.08，叠加后的输入电流纹波为2.24A。即总电流纹波与集成方案差别不大，但是电感电流纹波率比CM方案中大了许多，这将会导致更大的损耗及体积，使得整机效率及功率密度下降。根据传递函数，在MATLAB中利用sisotool进行PI控制器设计，并依据此参数在saber中进行两种结构的闭环仿真，得到输出电压响应如图5-8所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC8CM与DM瞬态仿真比较图中vout_CM为采用磁集成电感的变换器输出电压瞬态响应波形，vout_DM为采用分立电感的变换器输出电压瞬态响应波形，由图可以看出，采用磁集成电感后，在电感量相同情况下，变换器瞬态效应速度得到了提高。5.2实验结果分析在实验室搭建实验平台如图5-9所示，输入为三相交流电利用调压器进行调压后整流，整流后直流电压为350V，输出为电阻性负载，输出目标电压为700V。图5-SEQ图5-\*ARABIC9实验测试平台基于此平台，进行各项指标测试，并将磁集成电感与分立电感进行比较。图5-10为两种结构的电感实物图，左边为分立电感，右边为磁集成电感。明显看出，采用磁集成技术后，可以大大减小磁性元件的体积，以提高变换器的功率密度。图5-SEQ图5-\*ARABIC10磁集成电感与分立电感实物图5.2.1电感纹波测试与分析稳态输出功率为满载10kW时，测试电感电流纹波及其两端电压波形如图5-11所示，CH1为IGBT1两端电压波形，CH2为电感L1两端电压波形，CH3、CH4分别L2、L1电流交流耦合波形。SKIPIF1<0图5-SEQ图5-\*ARABIC11CM电流波形图由图可知，IGBT1开通时，其两端电压为0，L1两端电压等于输入电压，为正值，此时电感处于充电状态，电流上升。IGBT1关断时，其两端电压为输出电压，L1两端电压为输入电压减去输出电压，为负值，此时电感处于放电状态，电流下降。其电感电流纹波为11A。同样测试得到采用相同电感量的分立电感时，满载10kW输出功率对应电压电流波形如图5-12所示。SKIPIF1<0图5-SEQ图5-\*ARABIC12DM电流波形图其中电感电流纹波为18A，磁集成电感结构与之相较有明显的降低。5.2.2瞬态响应测试与分析在试验平台上分别进行磁集成电感与分立电感变换器瞬态响应的测试，输出额定700V电压，负载从半载突增到满载，得到其输出电压变化波形（CH2）如图5-13所示。SKIPIF1<0图5-SEQ图5-\*ARABIC13磁集成电感变换器瞬态响应由图5-13可知，磁集成电感变换器中，当负载突增时，输出电压跌落大约30V，经过100ms迅速调节至稳定。SKIPIF1<0图5-SEQ图5-\*ARABIC14分立电感变换器瞬态响应图5-14为采用相同电感值的分立电感测试波形图，当负载突增时，输出电压跌落大约50V，经过300ms调节至稳定。由瞬态响应实验分析可知，采用磁集成电感能获得更快的瞬态响应速度，因此能减小突加载时输出电压的跌落使其维持在正常范围以后，以供后级电路稳定工作。5.2.3效率测试在全功率范围进行效率测试，得到采用磁集成电感时，对应的效率如图5-15所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC15CM效率曲线由图5-15可知，变换器在大部分功率范围内能达到94%以上的转换效率。同样，进行分离电感测试，得到测试结果如图5-16所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC16DM效率曲线由图5-15及图5-16分析可知，采用磁集成电感的两相交错并联boost变换器，在实现电流纹波及功率密度的优化下，整机效率没有下降，验证了设计的有效性。5.3本章小结本章主要对所设计磁集成交错并联boost变换器进行仿真，与实验样机测试，测试项目包括电感电流纹波、变换器瞬态响应及整机效率测试，并与采用分立电感的变换器进行对比，最后分析得出了所设计变换器能满足设计要求，与分立电感相比有较大的优势。

第6章总结与展望HYPERLINK6.1全文总结文中绪论部分介绍了磁集成交错并联boost变换器研究背景，阐述了交错并联及磁集成技术的研究现状，分析了磁集成电感在提高变换器功率密度上的研究意义。本文着重对交错并联boost变换器中的电感进行了分析与磁集成设计。主要工作包括以下几个部分：（1）基于课题要求设计了两相交错并联boost变换器系统结构。在不同占空比下详细分析了其工作机理，得到了工作状态下电路参数关系，计算了电感电流纹波及输入电流纹波。根据电路原理分析进行了主电路参数设计，包括IGBT选型及其驱动电路设计，计算了满足电流纹波要求的电感参数。（2）对反向耦合磁集成电感交错并联boost变换器进行了研究分析。通过分析其工作原理得出稳态等效电感模型，得到了电感电流纹波及输入电流纹波表达式，并对变换器进行了小信号建模，在MATLAB中进行阶跃响应仿真，并与分立电感进行对比分析，得出磁集成电感在稳态及瞬态方向的优越性能。最后研究电感结构对其性能的影响及损耗分析，借助Maxwell2D进行了电磁仿真辅助参数设计。（3）在Maxwell2D进行磁集成电感量、气隙、磁通密度等的仿真并完成磁集成电感的设计制作与相关参数测量。设计了基于TMS320F28335主控芯片的控制电路，进行AD采样电路及通讯模块的设计，并进行了软件控制策略及程序流程的设计。最后完成实验样机的设计与制作。（4）在saber中进行了系统仿真，对比分析磁集成电感与分立电感的性能，分析磁集成电感的重要意义，并在实验样机上进行了电感电流及输入输出纹波测试、整机效率测试以及变换器的瞬态响应测试，与采用分立电感的变换器进行了对比，表现出了明显的优势，验证了采用反向耦合磁集成电感的交错并联方案的可行性。HYPERLINK6.2展望本文设计的采用磁集成电感代替分立电感的交错并联boost变换器，在性能指标上满足设计要求，与分立电感相比在功率密度、电流纹波等方面均有改进，但是鉴于能力与时间的关系，在稳定性、磁芯设计、整机效率能方面仍有较大改进空间，主要在以下几方面：（1）关于改进磁芯及绕组结构的研究本设计中电感采用绕线式的方式，绕制的方式会对绕组间的耦合系数造成较大的影响，不容易实现流程化，且参数一致性较差，在并联结构中，两个绕组参数差别大将会带来不均流的问题出现，因此，后续设计中可以采取平面绕组的方式，降低人为操作因素，更有利于产品的设计与优化。（2）关于提高轻载工作效率的研究所设计变换器在满载时虽能达到96%的效率，但轻载（10%满载以下）时效率依然比较低，后面设计中可以对此进行专门研究，可采取轻载时断开某一相的方式来降低系统轻载点等方式。（3）关于多相交错并联磁集成电感的研究在更大功率的应用场合，需要三相或以上进行并联，此时，磁集成电感的设计与两相将会有较大区别，后续设计中应针对通用型集成电感进行分析与设计，多相并联中，磁芯选择及耦合方式将会是更大的挑战，也会有更大的灵活性。

致谢三年研究生生涯即将结束，在论文完成之际，谨以此文对给予我帮助的恩师、家人、同学以及朋友表达内心最诚挚的谢意。首先要感谢恩师全书海教授，是他带我领略“研究”的含义，他渊博的知识和学无止境的精神让我深受感动。在项目工作中，全老师给予了我极大的鼓励和信任，让我有机会在研发中进行各种失败的尝试和体会成功后的那份成就感；在学习上，全老师谦虚严谨、高度的责任心以及知其然知其所以然的科学态度深深感染了我；在生活上，全老师站在长辈的角度，经常向我们传授孔子的思想，以实际行动教育我们什么是“诚信”和为人处世的方法态度。同时，我也为自己没能做出突出的贡献和突破性的研究成果而深感惭愧，在此，向全老师致以深深的感谢。另外我要非常感谢黄亮老师在项目工作中给予的极大帮助，是黄老师的信任让我在直流电源组得到了极大的锻炼和成长；感谢陈启宏老师、谢长君老师在平时学习以及本文的撰写过程中给予的指导和帮助。我还要特别感谢师姐刘春玉、师兄刘锋、郝世强、张珂、周波、王毅、刘睿，他们扎实的专业知识和勤奋的学习态度让我钦佩，感谢他们对我的照顾和毫无保留的指导。感谢307实验室的同仁陈兵、贺晓燕、汪慧、袁博、陈泓滨、邱楷、叶麦克，在项目合作及生活上给予我的指导和帮助，让我感受到科研大家庭的温暖。感谢武汉理工大学，让我度过了7年的美好时光。最后要特别感谢我的父母，作为单薄的农民，却付出了你们的一切养育我，以身体力行教育我坚忍不拔、勇往直前、以诚待人。感谢弟弟叶海给我的鼓励和支持。2015年5月于武汉理工大学叶琼 ADDINNE.Bib

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