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电工技术学报 2020年第4期35卷 758-766页

作者：肖龙伍梁李新赵钧陈国柱浙江大学电气工程学院杭州310027 闽南理工学院电子与电气工程学院泉州362700

为了进一步提高应用于低压大电流场合中的LLC谐振变换器的效率和功率密度,减小器件并联带来的不均流和局部过热等问题,输入侧绕组串联、输出侧绕组并联的平面磁集成矩阵变压器得到广泛使用。然而,传统矩阵变压器大多采用分离磁心实现,... 详细信息

为了进一步提高应用于低压大电流场合中的LLC谐振变换器的效率和功率密度,减小器件并联带来的不均流和局部过热等问题,输入侧绕组串联、输出侧绕组并联的平面磁集成矩阵变压器得到广泛使用。然而,传统矩阵变压器大多采用分离磁心实现,产生的绕组损耗和磁心损耗较大,同时也限制了功率密度的提高。该文基于磁通抵消原理,将原来需要独立磁心实现的矩阵变压器集成到单个磁心中实现,进一步减小了磁心体积和磁心损耗;同时给出一种变压器绕组损耗和磁心损耗计算模型,并基于该损耗模型提出一种磁心损耗与磁心所占印制电路板面积的折中优化设计方法。最后,采用高频宽禁带氮化镓器件,设计了一个功率400W、谐振频率1.5MHz的实验样机,验证了所提平面磁集成矩阵变压器优化设计方法的正确性和有效性。

关键词： LLC变换器平面矩阵变压器损耗模型优化设计

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基于平面矩阵变压器的LLC谐振变换器研究

基于平面矩阵变压器的LLC谐振变换器研究

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作者：陈阳西南交通大学

学位级别：硕士

随着各行业全电化的快速推进,市场对电源模块的效率、功率密度以及集成度的要求越来越高。针对电源模块的效率与功率密度这两个关键指标,可采用高效率电路拓扑结构减小能量在转换过程中的损耗,借助宽禁带半导体器件提高工作频率来减小... 详细信息

随着各行业全电化的快速推进,市场对电源模块的效率、功率密度以及集成度的要求越来越高。针对电源模块的效率与功率密度这两个关键指标,可采用高效率电路拓扑结构减小能量在转换过程中的损耗,借助宽禁带半导体器件提高工作频率来减小无源器件与变压器的体积,可达到在维持高效率的同时提高功率密度的效果。然而,工作频率的提高意味着传统变压器的高频效应影响的增加,由此产生的漏感、寄生电容、交流电阻等将影响变换器的效率与工作性能。在低压大电流的应用场合,输出端流经较大的电流意味着低压侧损耗的增加,导致电源模块整体效率的下降。本文研究了一种基于平面矩阵变压器的分体谐振式LLC变换器,以期提高变换器整体性能,在高频下实现较高的效率和功率密度。本文针对低压大电流的应用场合,分析了借助矩阵变压器的多输出型半桥分体谐振式LLC拓扑结构。研究其欠谐振、谐振和过谐振三种工作状态,总结出各个状态的等效工作电路和主要工作波形。同时借助描述函数法求出不同模式下的直流增益,进而对其稳态特性进行分析。最后在MATLAB/Simulink软件上搭建半桥分体谐振式LLC变换器模型,分别仿真了三种谐振的工况,并展示出了各个频率范围内的主要工作波形。针对矩阵式平面变压器,本文分析了磁芯的材料与结构,通过磁集成技术对变压器的磁芯结构进行优化。建立平面矩阵变压器的绕组损耗、磁芯损耗和端接损耗的模型,并推导出其计算公式,确定绕组最优结构。针对平面矩阵变压器漏感和寄生电容,推导其理论计算公式。通过电磁仿真软件ANSYS/Maxwell对平面矩阵变压器整个结构进行磁仿真,提取出仿真结果中变压器的自感、互感、电阻等参数,推导寄生参数矩阵,求得变压器的仿真寄生参数。本文深入分析了SiC器件的特性,并将其与传统的Si器件的特性进行对比。设计一种适用于SiC器件的高频驱动电路,确定电路的相关参数与结构。采用变模态控制方式,分别介绍了PFM与PWM控制模态。最后搭建实验平台对所设计的驱动电路以及SiC器件进行实验测试。最后,基于前文的分析,制作一款8通道输出,变比为16:1:1,功率密度为296W/in的平面矩阵变压器,并将其在380V/12V、300W半桥分体谐振式LLC谐振变换器上进行实验验证。实验结果表明在谐振工作频率下变换器工作正常,关键波形与仿真分析相符,满足设计要求。经实验测试,样机的峰值效率为92.3%,功率密度为20W/in。

关键词：高功率密度平面矩阵变压器 LLC谐振磁集成宽禁带半导体

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高降压比直流变压器的设计与优化

高降压比直流变压器的设计与优化

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作者：徐帅东西南交通大学

学位级别：硕士

随着信息技术产业的快速发展,离线电源的市场需求也不断增加,特别是计算机、LED显示屏电源、电动汽车、通信、计算机服务器和数据中心等。一方面常用离线电源中前级PFC电路部分为了满足全球85-265V的交流输入电压,通常以400V为直流输出... 详细信息

随着信息技术产业的快速发展,离线电源的市场需求也不断增加,特别是计算机、LED显示屏电源、电动汽车、通信、计算机服务器和数据中心等。一方面常用离线电源中前级PFC电路部分为了满足全球85-265V的交流输入电压,通常以400V为直流输出电压。另一方面,数据中心中,400V高压直流供电架构,由于更少的电能转换次数,和更低的直流母线电流,可显著降低母线上的线路损耗,是未来数据中心供电架构的趋势之一。由此可知,400V的直流母线电压,既是常用的离线电源中前级PFC输出的过渡母线电压,同样是未来数据中心供电架构中母线电压的趋势。而大多数IT设备要求隔离低压、大电流输出,如大功率LED显示屏电源需要4V/160A的输出。因此,研究400V输入的高降压比低压大电流输出直流变压器高效率实现技术,具有重要的学术意义和工业价值。然而,当前400V直流母线电压背景下的DC/DC变换器存在如下问题:(1)高降压比隔离DC/DC变换器的功率和效率较低,难以满足不断增大的功率和效率需求;(2)数据中心中多级转换的直流变压器,制约其整体效率的提升。因此,本文结合项目需求,以大功率LED显示屏电源(400V转4V/160A)应用为牵引,兼顾数据中心400V高压直流供电架构对转换效率和功率密度的需求,采用Ga N HEMT作为原边开关管,结合平面矩阵变压器和磁集成技术,展开对高降压比低压大电流输出直流变压器的研究。首先,相较于其他软开关变换器拓扑,LLC谐振变换器利用变换器中谐振元件使得电压或电流周期的过零,可以在全负载范围内实现原边零电压开通、副边零电流关断,因此具有更高的转换效率和功率密度。本文结合高降压比直流变压器高压输入,低压大电流输出的特点,为实现高效率和高功率密度,确定了半桥LLC谐振变换器作为主电路拓扑,并详细分析了其工作原理。接着,结合项目需求,对4V/160A输出的高降压比直流变压器做了初步的设计与优化,重点设计了变压器部分,针对传统绕线式变压器交流终端损耗大、漏感大、功率密度低及副边同步整流管布局受限等问题,研究了平面矩阵变压器的设计与优化。首先采用变压器原边串联、副边整流后并联的四分裂平面变压器方式将副边的大电流均匀分散到每个子变压器中,有效减小副边绕组交流终端损耗和变压器漏感,提高LLC谐振变换器的效率和功率密度。随后在四分裂平面变压器的基础上,采用磁集成和同步整流管集成技术,进一步优化了漏感、交流终端损耗和功率密度。以逐步优化的方式分别设计了传统绕线式单变压器样机、四分裂平面变压器样机和磁集成四分裂变压器样机,实验证明了所提方案的有效性和先进性。最后,结合上述研究结果,为满足项目效率指标,设计了磁集成六分裂变压器方案,优化了原边绕组和副边绕组间的磁动势,大大降低原边绕组、副边绕组和同步整流管的导通损耗,以及变压器副边绕组的交流终端损耗。实验室搭建了400V转4V/160A磁集成六分裂变压器的优化设计样机,实现了96.84%的峰值效率和96.22%的满载效率,满足大功率LED显示屏电源4V/160A输出的项目效率指标。相较于当前国内外知名团队面向数据中心的两级式高降压比方案,该方案满载效率提高了至少2个百分点,因此,该研究成果也可为数据中心的高降压比直流变压器提供一种新的可行性参考方案。

关键词：高降压比 4V/160A LLC谐振变换器 GaN HEMT 平面矩阵变压器磁集成

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基于氮化镓器件的高频车载DC-DC变换器的研究

基于氮化镓器件的高频车载DC-DC变换器的研究

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作者：苏茜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

电动汽车由于其具有可靠性高、安全性好、成本效益低、对环境十分友好等特点,成为了新时代人们关注的焦点。车载电源作为电动汽车的关键组成部分,是连接车内高压系统与低压系统的桥梁。由于汽车内空间十分狭小,高频化小体积化成为其研... 详细信息

电动汽车由于其具有可靠性高、安全性好、成本效益低、对环境十分友好等特点,成为了新时代人们关注的焦点。车载电源作为电动汽车的关键组成部分,是连接车内高压系统与低压系统的桥梁。由于汽车内空间十分狭小,高频化小体积化成为其研究难点,运用新型氮化镓器件可以实现电源在超高频环境下工作,有利于提高电源性能。所以本文以氮化镓器件为基础,以实现高功率密度与高效率为目标设计了一台车载电源,并且从电路拓扑、变压器设计、控制方法等方面对其进行了研究与优化。本文首先对氮化镓器件进行了研究。氮化镓器件具有电子迁移率高、反向恢复电荷小、电场击穿能力强等特点,适合应用在高频、高温、高压场合。将氮化镓器件与普通硅器件的特性与结构进行对比研究,总结GaN器件的优越特性。对氮化镓器件的寄生参数进行分析,提出如何避免寄生效应影响的措施,并在此基础上进行驱动电路的设计与优化。最后对氮化镓器件进行开关性能测试,通过实验结果观察其开通与关断状态。车载电源输入电压波动较大,范围较宽,经综合考虑选用BOOST+半桥LLC两级电路作为电源拓扑。BOOST电路稳定母线电压在400V,便于后级LLC电路调节与控制。LLC电路由于其具有软开关特性,可以提高电源的整体效率。分析电路的工作原理,运用基波分析法与时域分析两种方法对LLC电路进行研究,得出增益特性曲线,分析变化趋势,并以此为基础进行电路参数设计,推导死区时间。运用软件进行仿真,根据仿真结果进一步对参数进行轻微调整。为了实现高功率密度、体积小型化要求,本文选用平面矩阵变压器代替传统立式变压器。对平面矩阵变压器的结构进行优化,提出原副边变压器并联连接的矩阵形式,减小了导通损耗,并利用磁通抵消原理将两个变压器集成在一个E型磁芯上。为了准确设计变压器的漏感,我们对变压器进行磁建模,推导漏感值的表达式,并用仿真软件进行了仿真验证。对变压器绕组结构也进行了优化,运用磁集成技术将次级同步整流开关管与电容集成到副边绕组上,大大减小了端接损耗。运用Ansys软件仿真,观察其电流密度与磁场强度云图,电流实现均流共享。最后进行车载电源的总体设计。对LLC变换器的同步整流方案进行研究,提出自适应死区时间的控制方法,具有良好的瞬态性,效率得到明显提升。选用PFM+PWM混合的控制方法,其中PFM用于较重负载时,PWM用于较轻负载,可以使变换器在全负载内稳定运行。最后制作实验板子进行实验测试,观察分析实验波形,实现高功率密度与高效率目标。

关键词：车载电源 GaN器件 LLC谐振平面矩阵变压器

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