中国
电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
双Buck逆变器的磁集成技术研究
刘大刚,陈杰,龚春英
南京210016)(南京航空航天大学航空电源重点实验室
摘要
双Buck逆变器(DBI)是一种高效可靠的逆变器拓扑,但需要两个电感,且每个电感仅
工作半周期,磁芯利用
率低,体积和重量较大。本文分析了共用磁芯直接耦合和双磁芯四绕组两种磁集成
方案的基本原理,指出这两种方法在实际应用时存在相互影响。在此基础上本文提出了一种新型的共用磁芯集成方案---完全解耦方案,进行了理论分析,实验证明该磁集成方案可以完全实现两个电感的解耦,是一种较理想的可实用的方案。关键词:逆变器,磁集成,耦合电感
1引言
图1所示双降压式半桥逆变器[3](DualBuckInverter,下文简称DBI)是近年来提出并得到了大量,研究的一种高可靠性的逆变器拓扑。与传统的推挽、半桥、全桥等变换器相比,DBI具有无桥臂直通隐患和无开关管体二极管反向恢复
问题等突出的优点,适合于UPS、航空航天等对逆变器可靠性要求高的场合。DBI主电路由两个Buck电路构成,。包括两个功率开关管S1和S2,两只续流二极管D1和D2,两个滤波电感L1和L2,一个输出滤波电容C。其中S1、D1和L1构成了一个Buck电路,在输出电流的正半周工作;S2、D2和L2构成另一个Buck电路,在输出电流的负半周工作。具体的工作原理详见文献[3]-[4]。根据DBI的工作原理可知,两个滤波电感L1和L2只工作在单一象限,磁芯的利用率低。磁件的重量占整个逆变器重量的20%-30%,这个比重随着功率的提升还将近一步加大[1-2],要减小逆变器的体积和重量,提高功率密度,需要研究DBI的磁集成技术。
图1双降压式逆变器主电路原理图
iL1iL2
C
虽然这两种方案电感耦合比较简单,但是两个电感绕组互相耦合,在其中一个绕组上施加电压会在另一个绕组上产生一个根据匝比关系对应的电压。由于实际绕制的电感不可能保证两个绕组对应的感值完全对称,会在电路产生不可预测的环流。而且环流对应的回路中阻抗很小,很小的电压差即可产生很大的环流电流。环流的存在将严重影响电路工作的可靠性和整机效率,故不适用。
2DBI磁性元件集成方案研究
2.1共用磁芯直接耦合法首先想到的是能不能直接将两个电感绕组耦合到一个磁芯上,根据同名端连接不同,有两种耦合方案,分别如图2(a)和图2(b)所示。
Ud
S1
a
D2
o
L1
iL1
L2
b
C
VO
iL2
Ud
D1
S2
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
Udo
a
S1
D2
L1
iL1
L2
b
C
VO
iL2
Ud
D1
S2
(a)正向耦合方式图2
(b)反向耦合方式直接耦合
这里以图2(a)所示的同名端相连的直接耦合方式为例,对环流产生的机理进行分析。假设电感L1对应的绕组匝数为N1,电感L2对应的绕组匝数为N2,n=N1/N2。则在功率开关管S1开通的模态内,施加在绕组N1(即电感L1)上的电压为Ud-Vo,由于两个电感直接耦合,绕组N2会感应出(Ud-Vo)/n的电压,因此两个桥臂的中点a和b两点的电压差为?Uab=(Ud-Vo)(1-1/n);理想条件下,耦合电感的两个绕组匝数严格相等,即n=1,则?Uab=0,二极管不可能导通,而当n>1,即?Uab>0,二极管D2反偏截止,但是当n<1时,?Uab<0,二极管D2正偏导通,这里假设开关管均为理想期间,无导通压降。则两个绕组间很小的电压偏差即会产生很大的短路电流,即环流。类似的,当功率开关管S2导通时,对应n<1时,功率二极管D1正偏导通,也会形成环流。图3给出了在直接耦合方式下和独立电感仿真波形。仿真参数:输入电压360V/DC,输出电压为115V/AC,电感为1mH,输出滤波电容为2uF,负载为100欧姆。3中从上往下依次为二极管D2两端的图电压波形,和两电感电流波形,从电感电流可以看出直接耦合方式下和独立电感相比产生环