基于交流磁通正向耦合的IM-TTF变换器

论文摘要

正激式变换器因具有结构简单、可靠性高、输入输出电气隔离等优点被广泛应用于通信、计算机及航空航天领域。对于高频工作的DC/DC电源,磁性元件是限制其功率密度进一步提高、性能进一步改善的一个重要因素。由于磁集成技术具有可以减小磁性元件体积重量,减少磁性元件损耗,削减输出电流脉动,改善输出动态性能等优点,一直是电力电子技术研究的热点之一。本文针对正激式变换器的变压器工作时磁心利用率较低、输出电流脉动较大的缺点,利用其变压器与滤波电感交变磁通相对方向固定的特点,基于交流磁通正向耦合减小输出电流脉动的思路,提出一族磁集成正激式变换器。并以中大功率场合应用广泛的双管正激变换器为例,研究磁集成技术的应用,以减小磁性元件体积和输出电流脉动。论文首先简要介绍了常用的变换器拓扑和高频DC/DC变换中采用的几种关键技术,指出应用磁集成技术可以进一步提高其性能;接着分析了正激式变换器中磁性元件的磁通特点,利用叠加性原理重新解释了耦合电感减小电流脉动的原因,提出交流磁通正向耦合减小输出电流脉动的思路,得到一族磁集成正激式变换器。以双管正激变换器为例,详细分析了该变换器的工作原理,讨论了磁集成技术对电流脉动、变换器效率的影响,给出集成磁件的设计依据。最后完成了240V300V输入、28.5V/30A输出的IM-TTF变换器和DM-TTF变换器的参数设计、硬件制作、损耗分析与实验验证。实验结果证明,该集成方案可以减小输出电流脉动和磁性元件体积,降低磁心损耗,同时指出磁集成带来的变压器激磁电感的下降会对变换效率有负面影响,并突出表现在高输入电压的应用场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 DC/DC 变换器电路拓扑
• 1.3 常用的高频DC/DC 功率变换技术
• 1.3.1 软开关技术
• 1.3.2 同步整流技术
• 1.3.3 高频变换中的磁技术
• 1.4 磁集成技术
• 1.5 本文研究的内容和意义
• 第二章 一族磁集成正激式变换器
• 2.1 引言
• 2.2 基于叠加性原理的纹波电流减小的解释
• 2.3 正激变换器的磁性元件工作状态
• 2.3.1 有源箝位正激式变换器
• 2.3.2 RCD 箝位正激式变换器
• 2.3.3 绕组磁复位正激式变换器
• 2.3.4 谐振磁复位正激式变换器
• 2.3.5 双管正激变换器
• 2.3.6 正激式变换器磁性元件的磁通特点
• 2.4 一族磁集成正激变换器
• 2.4.1 磁集成正激变换器
• 2.4.2 工作模态
• 2.4.3 磁集成正激式变换器的基本关系
• 2.4.4 IM 的等效电路及参数测量
• 2.5 仿真验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 IM-TTF 变换器的工作原理
• 3.1 引言
• 3.2 TTF 变换器的工作原理及特点
• 3.2.1 电路运行原理
• 3.2.2 TTF 变换器的工作特点
• 3.3 IM-TTF 变换器
• 3.4 IM-TTF 变换器的基本工作原理
• 3.4.1 IM-TTF 变换器的磁性元件工作状态分析
• 3.4.2 IM-TTF 变换器的基本关系
• 3.4.3 IM 设计依据
• 3.5 磁集成技术对TTF 变换器的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 参数设计及实验验证
• 4.1 引言
• 4.2 DM-TTF 变换器参数设计
• 4.2.1 磁性元件外的参数确定及器件选取
• 4.2.2 DM-TTF 变换器中变压器的设计
• 4.2.3 DM-TTF 变换器输出滤波电感的设计
• 4.3 IM-TTF 变换器参数设计
• 4.3.1 磁性元件外的参数确定及器件选取
• 4.3.2 IM 设计及讨论
• 4.4 变换器损耗分析
• 4.5 IM-TTF 与DM-TTF 的对比与讨论
• 4.5.1 磁性元件对比
• 4.5.2 输出电感电流脉动对比
• 4.5.3 动态对比
• 4.5.4 效率对比与讨论
• 4.5.5 IM 和DM 损耗对比
• 4.6 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 下一步要完成的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文