楊玉崗， 張 亮， 張立飛， 苗懷錦

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

LLC諧振拓?fù)渚哂凶匀卉涢_關(guān)[1]特性，工作在適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)(zero voltage switching,ZVS)和整流管的零電流開關(guān)(zero current switching,ZCS)，具有高效率的同時(shí)兼顧高功率密度，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。雙向化能夠大幅度減小系統(tǒng)的體積重量及成本，更有可能在現(xiàn)有的電路中使用同步整流的工作方式降低通態(tài)損耗，此類拓?fù)湓谌剂想姵毓芾硐到y(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)(uninterrupted power supply,UPS)及新能源電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中十分常見[2～4]。但是，雙向LLC諧振變換器仍然面臨著一個(gè)重大難題，那就是磁元件個(gè)數(shù)的增加，帶來(lái)功率密度降低，損耗增加。

磁集成技術(shù)是指通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)一定的耦合方式使電力電子系統(tǒng)中多個(gè)分立的磁元件(電感、變壓器等)變成一個(gè)集成磁元件，能夠大大減小體積、重量、損耗及電源輸出紋波，提高電力電子設(shè)備的整體性能。還有一種特殊的集成方式：解耦集成，解耦集成能夠減小磁件體積重量且不影響工作特性。解耦集成可分為兩種：提供低磁阻磁路實(shí)現(xiàn)解耦與抵消繞組間的耦合作用實(shí)現(xiàn)解耦。

對(duì)于雙向LLC諧振變換器諧振電感的磁集成方案，文獻(xiàn)[5]已經(jīng)進(jìn)行過(guò)原理分析，得到了電磁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，現(xiàn)針對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)[5]。設(shè)計(jì)一種新的磁件結(jié)構(gòu)，在解耦磁集成減小磁件體積的同時(shí)，減小渦流損耗，效率也得到一定的提升。本文提出一種EIE型電感器結(jié)構(gòu)，給出了磁阻模型，通過(guò)MAXWELL軟件進(jìn)行了仿真，并將其與EI型電感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。最后在雙向輸入電壓分別為48 V/400 V、滿載功率為1 kW的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 EIE型電感器

1.1 EIE型電感器結(jié)構(gòu)

提出的EIE型解耦集成電感結(jié)構(gòu)，如圖1所示，兩個(gè)I形鐵心居中，兩個(gè)E形鐵心分別置于I形鐵心兩側(cè)，構(gòu)成EIE型電感器的鐵心體，繞組在I形鐵芯。

圖1 EIE型集成磁件結(jié)構(gòu)

這種磁芯結(jié)構(gòu)增加了一條并聯(lián)磁路，有效地減小了每條磁路磁通，可使磁路磁壓、磁通均勻分布，氣隙擴(kuò)散磁通、磁路磁阻減小。繞組在I形鐵心上，可以避開氣隙造成的高頻磁場(chǎng)切割，既增大了電感因數(shù)，又減小了線圈渦流損耗。解耦集成時(shí)，兩個(gè)E形鐵心中柱與I形鐵心無(wú)縫連接，磁阻遠(yuǎn)小于開有氣隙的側(cè)柱，兩個(gè)諧振電感之間基本無(wú)耦合，改變側(cè)柱的長(zhǎng)度以調(diào)節(jié)氣隙的大小。該磁件結(jié)構(gòu)屬于提供抵消磁阻磁路實(shí)現(xiàn)解耦集成。

1.2 EIE型電感器磁路模型

根據(jù)磁路的歐姆定律，并將氣隙磁阻的磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)以及繞組外面空氣的漏磁通考慮在內(nèi)得到的EIE型耦合電感器的磁路模型如圖2(a)所示，串聯(lián)磁阻合并后的磁路模型如圖2(b)所示。

圖2 磁通分布與磁路長(zhǎng)度

圖中，Rg1，Rg2為氣隙磁阻，Rair1，Rair2為空氣磁阻。

圖2(b)中的磁阻用圖2(a)中的磁阻表示

(1)

1.3 EIE型電感器電感值計(jì)算

在實(shí)際測(cè)量中，根據(jù)電感與磁阻的關(guān)系，反向電感開路，得到正向電感的自感，反向電感短路，得到正向電感的漏感；反向電感的自感和漏感同理。EIE型耦合電感器的自感和漏感分別為

(2)

2 EIE型電感器與EI型電感器對(duì)比

EI型磁芯結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)E形鐵心并排組成新的大E形鐵心，由兩個(gè)I條并排組成新的大I條。磁件結(jié)構(gòu)如圖3所示，EI型磁件結(jié)構(gòu)同樣利用提供抵消磁阻磁路實(shí)現(xiàn)解耦集成的原理。

圖3 EI型集成磁件結(jié)構(gòu)

2.1 體積與繞組周長(zhǎng)對(duì)比

EI型鐵芯與EIE型鐵芯均由相同的I形鐵心與E形鐵心通過(guò)不同的排列組成，以確保兩者體積相等。E形磁芯與I條磁路如圖4所示，參數(shù)a,b,c,d,h分別為3.5，7.0，6.5，7.0，10.7 mm。其中，h為磁芯厚度。

圖4 E形磁芯與I條磁路長(zhǎng)度

EI型鐵芯繞組在側(cè)柱，側(cè)柱周長(zhǎng)為2(a+2h)=49.8 mm，EIE型鐵芯繞組在I條上，其周長(zhǎng)為2(2a+h)=35.4 mm，EIE型結(jié)構(gòu)繞組長(zhǎng)度比EI型結(jié)構(gòu)減小(49.8-35.4)=14.4 mm，減小率為(14.4/49.8)=28.9 %，可見EIE型結(jié)構(gòu)更加省銅。

2.2 磁力線分布理論分析

EI型結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，電感繞組在側(cè)柱，繞線包裹氣隙，而鐵芯氣隙處的磁通量一般最為集中，由于鐵芯氣隙處會(huì)產(chǎn)生磁通擴(kuò)散現(xiàn)象，因此，在氣隙周圍的銅線繞組上會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)渦流，氣隙的擴(kuò)散磁通損耗大。而旁路磁通則穿過(guò)兩個(gè)鐵芯柱間的繞組窗口，在銅線繞組上感應(yīng)出很大的渦流損耗。因此，EI型磁芯解耦集成，雖然縮小了變換器體積，減小了磁件重量，但效率提升效果不明顯。

EIE型結(jié)構(gòu)將電感繞組繞在I形磁芯上，有效避開了擴(kuò)散磁通的切割，在銅線繞組上的感應(yīng)渦流損耗比EI型結(jié)構(gòu)小。且磁密分布更加均勻，不易飽和，自感互感以及耦合系數(shù)大，更加省銅；擴(kuò)散磁通和旁路磁通小，渦流損耗以及電磁干擾減小。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

以升壓為例，原邊輸入電壓小，流過(guò)諧振電感[6]的電流大，在滿載時(shí)，電感電流達(dá)到最大，要保證鐵芯的最大磁密不能超過(guò)鐵芯材料的飽和磁密。EIE型電感器應(yīng)用在雙向LLC諧振變換器中，電路拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 雙向LLC諧振變換器電路拓?fù)?/p>

搭建了一臺(tái)48～400 V/1 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)：諧振電感Lr1，Lr2分別為0.51，35.24 μH；諧振電容C1，C2分別為4.97，0.072 μF；勵(lì)磁電感Lm為10.15 μH；變比n為3∶25；開關(guān)頻率fs為100 kHz。

3.1 仿 真

利用ANSYS電磁場(chǎng)3D仿真軟件分別對(duì)EIE型和EI型電感器在同等條件下(N=1，L=0.58 μH)進(jìn)行建模對(duì)比分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，變換器工作在滿載時(shí)，諧振腔[7]電感電流有效值達(dá)到25 A，分別對(duì)EIE型和EE型電感器模型繞組通過(guò)25 A電流，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖6所示，電感仿真值如圖7所示。

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖7 電感仿真結(jié)果

由圖6可知，EIE型電感器最小磁感應(yīng)強(qiáng)度比EI型電感器大，磁通密度、磁勢(shì)分布更加均勻，抗飽和能力強(qiáng)。由圖7可知，EIE型電感結(jié)構(gòu)與EI型電感結(jié)構(gòu)，互感非常小，驗(yàn)證了解耦集成的實(shí)現(xiàn)；氣隙為0.808 mm時(shí)，EIE型電感器電感仿真值為0.580 74 μH，氣隙為0.349 mm時(shí)，EI型電感器電感仿真值為0.580 98 μH，同等電感值，EIE型電感器的氣隙更大，可見EIE型電感器電感因數(shù)大，更加省銅。

利用ANSYS電磁場(chǎng)2D仿真軟件分別對(duì)EIE型和EI型電感器在同等條件下(N=1，g=0.8 mm)進(jìn)行磁力線對(duì)比分析，如圖8所示。

圖8 磁力線分布

EIE型電感器氣隙更加分散，擴(kuò)散磁通更??；繞組遠(yuǎn)離氣隙，擴(kuò)散磁通在繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)渦流損耗更小。由圖8可知，EIE型和EI型電感器，氣隙開在側(cè)柱，中柱不開氣隙，均實(shí)現(xiàn)了兩相磁通基本無(wú)耦合的目的。EI型電感器繞組窗口內(nèi)部與外部，均有更多的磁力線分布，窗口外部擴(kuò)散磁通更加嚴(yán)重，造成很大的渦流損耗；而EIE型電感器繞組只有在臨近氣隙處的一側(cè)有一定量的旁路磁通，感應(yīng)渦流損耗，較EI型電感器更小，效率更高。

3.2 實(shí) 驗(yàn)

采用DSP28335控制器，電感實(shí)物放大圖如圖9所示，實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)如圖10所示。

圖9 電感實(shí)物

圖10 實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)

圖11給出了變換器工作時(shí)的ZVS波形圖。

圖11 ZVS與諧振電流波形

圖12給出了變換器工作時(shí)，使用EIE型電感、EI型電感的效率對(duì)比曲線。由圖可知，集成電感的使用提高了變換效率，EIE型電感器比EI型電感器效果更好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論和仿真分析的正確性。

圖12 效率曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)應(yīng)用在雙向LLC諧振變換器諧振電感解耦磁集成的EIE型和EI型電感器的對(duì)比分析，得到EIE型電感器具有磁密、磁勢(shì)分布更加均勻，抗飽和能力強(qiáng)，電感因數(shù)大，渦流損耗小等優(yōu)勢(shì)。最后，通過(guò)MAXWELL電磁軟件進(jìn)行了仿真，并在一臺(tái)48～400 V/1kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)了本文提出EIE型電感器在雙向LLC諧振變換器中的應(yīng)用，提高了變換器功率密度，提升了變換效率。