摘要：準(zhǔn)Ｚ源諧振變流器因?yàn)榇嬖谳斎腚妷悍秶?、升－降壓變換靈活以及高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)良特性，在光伏發(fā)電領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而該諧振變流器包含了諸多電磁功率元件，存在體積大和功率密度低的問題。采用柔性多層帶材集成技術(shù)，并對(duì)集成單元進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，集成單元運(yùn)行時(shí)的最大總磁通密度為0.33 T，小于磁芯的飽和密度0.47 T，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)Z源諧振變流器；柔性多層帶材集成技術(shù)；電磁功率元件

中圖分類號(hào)：TM403

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Integrated unit design of electromagnetic power components for quasi-Z-source resonant converters

DENG Cheng， WEI Yinbo

（Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Muti-Power Sources Area， Shaoyang University， Shaoyang 422000， China）

Abstract： The quasi-Z-source resonant converter has received wide attention in the field of photovoltaic power generation because of its excellent characteristics such as large input voltage range， flexible boost-buck conversion and high conversion efficiency. However， this resonant converter contains many electromagnetic power components， which have the problems of large size and low power density. The flexible multilayer strip integration technology is adopted and the integrated unit is simulated and analyzed， and the simulation results show that the maximum total magnetic flux density of the integrated unit during operation is 0.33 T， which is smaller than the saturation density of the magnetic core of 0.47 T. Such a result verifies the reasonability of this design.

Key words： quasi-Z-source resonant converter; flexible multi-layer foil integration technology; electromagnetic power components

近幾年，太陽能光伏能源的使用呈現(xiàn)大幅增長的趨勢，國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年中國增加了5 300萬kW的風(fēng)力發(fā)電量，是世界上連續(xù)9年發(fā)電量最大的國家[1]。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，具有模塊化、低功耗以及低成本優(yōu)勢的微型變流器越來越受到重視[2]。然而，傳統(tǒng)的電壓型或電流型變流器存在短路損毀的風(fēng)險(xiǎn)以及高電壓增益情況下器件損耗、效率低下的問題[3]。針對(duì)該問題，VINNIKOV等[4]提出了基于兩個(gè)交錯(cuò)反激轉(zhuǎn)換器的最簡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 然而由于單端特性，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尚存在隔離變壓器利用率低的缺點(diǎn)。為提高變流器的利用率與可靠性，文獻(xiàn)[5]從功率損耗、熱阻抗、壽命和損傷累積等方面考慮，提出了一種準(zhǔn)Z源諧振變流器。如圖1所示，該諧振變流器通過允許同一橋臂上下兩管同時(shí)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)其升壓和降壓變換的功能，利用獨(dú)特的無源網(wǎng)絡(luò)提高了變流器的可靠性，并且避免了由死區(qū)引起的輸出波形畸變。然而，準(zhǔn)Z源諧振變流器使用了大量體積龐大并且笨重的電磁功率元件，這顯然大大增加了設(shè)備的尺寸和體積。

柔性多層帶材（flexible multi-layer foil， FMLF）集成技術(shù)是近年來備受關(guān)注的電磁元件集成技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)見圖2，在兩片柔性導(dǎo)體箔之間插入一層電介質(zhì)薄膜，從而使電感元件和電容元件共享同一空間[6]。文獻(xiàn)[7]通過FMLF技術(shù)，將升壓串聯(lián)諧振變換器中變壓器、電容器以及電感器集成在一起，與分立元件相比，集成設(shè)備的體積減少了12%。文獻(xiàn)[8]提出了一種以E-I-E 鐵磁芯為核心帶有多個(gè) FMLF 繞組的集成輸出濾波器，該集成濾波器可以實(shí)現(xiàn)與離散濾波器相同的功能，并且體積縮小了30%。此外，文獻(xiàn)[9]提出了一種用于多元件諧振轉(zhuǎn)換器的新型無源集成單元，該集成單元通過FMLF集成技術(shù)將兩個(gè)LLC諧振轉(zhuǎn)換器集成到E-E鐵磁芯中，大大提高了轉(zhuǎn)換器的功率密度。

為了提高準(zhǔn)Z源諧振變流器的功率密度、減小其體積，本文基于FMLF集成技術(shù)提出了一種新型電磁元件集成單元，它包含2個(gè) E 磁芯和2個(gè) FMLF 集成繞組，集成了1個(gè)串聯(lián)諧振電感、1個(gè)并聯(lián)諧振電感、1個(gè)變壓器、2個(gè)耦合電感、2個(gè)濾波電容、2個(gè)串聯(lián)諧振電容。

1電磁功率元件集成單元

提出兩種FMLF集成繞組IW1和IW2，見圖3。

1）如圖3（a）所示，對(duì)于繞制在磁芯E1和E2左邊磁柱上的集成繞組IW1，由內(nèi)到外依次包含第一絕緣薄膜、第一導(dǎo)體薄膜、第一電介質(zhì)薄膜、第二導(dǎo)體薄膜、第二絕緣薄膜、第三導(dǎo)體薄膜、第二電介質(zhì)薄膜和第四導(dǎo)體薄膜。

2）如圖3（b）所示，對(duì)于繞制在磁芯 E1和 E2右邊磁柱上的集成繞組IW2，由內(nèi)到外依次包含第三絕緣薄膜、第五導(dǎo)體薄膜、漏感薄膜、第四絕緣薄膜、第六導(dǎo)體薄膜、第三電介質(zhì)薄膜、第七導(dǎo)體薄膜、第四電介質(zhì)薄膜和第八導(dǎo)體薄膜。

為確保進(jìn)行了電磁元件集成的準(zhǔn)Z源諧振變流器能夠正常工作，提出電磁集成單元的電路連接方式，見圖4。

1）第一導(dǎo)體薄膜左端通過端口a連接到電路中，其右端和第四層導(dǎo)體薄膜的左端通過端口b連接到電路。

2）第二導(dǎo)體薄膜左端是浮動(dòng)的，不用接入電路中，其右端和第三層導(dǎo)體薄膜的左端通過端口d連接到電路中。

3）第三導(dǎo)體薄膜右端通過端口c連接到電路中。

4）第四導(dǎo)體薄膜右端是浮動(dòng)的，不用接入電路中。

5）第五導(dǎo)體薄膜左端通過端口e連接到電路中，右端通過端口f連接到電路中。

6）第六導(dǎo)體薄膜左端是浮動(dòng)的，不用接入電路中，右端通過端口j連接到電路中。

7）第七導(dǎo)體薄膜左端通過端口h連接電路中，右端是浮動(dòng)的，不用接入電路中。

8）第八導(dǎo)體薄膜左端是浮動(dòng)的，不用接入電路中，右端通過端口g連接電路中。

從而，變流器中的耦合電感和濾波電容集成方法如下所述：

1）第一導(dǎo)體薄膜構(gòu)成第一耦合電感L1。

2）第一導(dǎo)體薄膜、第一電介質(zhì)薄膜和第二導(dǎo)體薄膜共同構(gòu)成第一濾波電容C2。

3）第三導(dǎo)體薄膜構(gòu)成第二耦合電感L2。

4）第三導(dǎo)體薄膜、第二電介質(zhì)薄膜和第四導(dǎo)體薄膜構(gòu)成第二濾波電容C3。

5）通過調(diào)節(jié)上下鐵氧體磁芯之間的氣隙高度，可以改變變壓器激磁電感Lm的大小，并用變壓器激磁電感Lm代替并聯(lián)諧振電感。

6）變壓器T的原邊由第五導(dǎo)體薄膜構(gòu)成。

7）在第五導(dǎo)體薄膜和第四絕緣薄膜之間插入漏感薄膜，用于調(diào)節(jié)作為串聯(lián)諧振電感Lr的漏電電感。

8）第六導(dǎo)體薄膜、第三電介質(zhì)薄膜和第七導(dǎo)體薄膜構(gòu)成第一串聯(lián)諧振電容Cr1。

9）變壓器T的副邊由第七導(dǎo)體薄膜構(gòu)成。

10）第七導(dǎo)體薄膜、第四電介質(zhì)薄膜和第八導(dǎo)體薄膜構(gòu)成第二串聯(lián)諧振電容Cr2。

2磁通分析及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1磁通分析

根據(jù)圖5對(duì)集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁通分析，由于鐵氧體磁芯的右側(cè)邊柱存在磁阻遠(yuǎn)大于鐵氧體磁芯的氣隙lg2，因此，由IW1產(chǎn)生的流經(jīng)IW2部分的磁通可忽略不計(jì)；同樣，由于lg1的影響，IW2產(chǎn)生的流經(jīng)IW1部分的磁通也可忽略不計(jì)。因此，兩個(gè)集成繞組的參數(shù)可分別獨(dú)立設(shè)計(jì)。

2.2參數(shù)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)Z源諧振變流器的工作條件是：輸入電壓Uin為10 V，輸出電壓Uout為60 V，輸出功率Pout為600 W，開關(guān)頻率fsw為110 kHz。圖6給出了電磁功率元件集成單元的設(shè)計(jì)流程。

步驟1：電磁功率元件集成結(jié)構(gòu)的磁芯通過可以通過AP（面積乘積）法來選，見式（1）。

AP=P·104fsw·Bsat·Kf·Kw·Kj1X+1（1）

式中：P為集成單元運(yùn)行總功率；fsw為變流器運(yùn)行時(shí)的開關(guān)頻率；Bsat為變壓器運(yùn)行時(shí)的磁通密度；Kf為波形系數(shù)；Kw為磁芯窗口的利用系數(shù)，取值為0.4；Kj為電流安全密度；X為集成裝置的結(jié)構(gòu)系數(shù)，取值為0.2。經(jīng)計(jì)算，集成結(jié)構(gòu)AP值為7.141×10-9m4，所需磁芯的預(yù)選AP值應(yīng)大于該值。

相較于其他鐵氧體材料，3C94具有較高的飽和磁通密度，因此，本文選用3C94（μr=2 300，Bsat=0.47 T）作為電磁集成單元中的磁芯材料，磁芯的預(yù)選AP值計(jì)算公式如式（2）所示：

AP=Aw·Ae（2）

式中：Ae為磁芯有效截面積；Aw為磁芯的窗口面積。經(jīng)過計(jì)算比較，本文選擇型號(hào)為E35/18/10的鐵氧體磁芯，其有效截面積Ae為50 mm2，AP值為9.062×10-9m4，滿足設(shè)計(jì)需求。所選鐵氧體磁芯參數(shù)見圖7。

步驟2：集成繞組IW1濾波電感L1、L2的匝數(shù)NL1、NL2可以通過下式推導(dǎo)得出：

L=N2LRLBsat·Ae=NL·IL_maxRLNL≥L·IL－maxBsat·Ae（3）

式中：Bsat為飽和磁通密度；NL為集成濾波電感的匝數(shù)；RL為濾波電感磁通回路的磁阻； IL_max為濾波電容允許通過的最大電流。經(jīng)過計(jì)算，濾波電感L1、L2的匝數(shù)NL1、NL2均為5圈。

集成繞組IW2中變壓器T的原邊匝數(shù)Npri和副邊匝數(shù)Nsec可以用下式計(jì)算：

Npri=UinKf·Bsat·Ae·fswNsec=Npri·n（4）

式中：Kf為波形系數(shù)；Uin為輸入電壓；Bsat為飽和磁通密度；fsw為開關(guān)頻率。在式（1）中，變壓器T副邊和原邊的匝數(shù)比n為6。經(jīng)計(jì)算，Npri設(shè)置為4圈，Nsec設(shè)置為24圈。

步驟3：由于E型磁芯之間的窗口高度hw約束了集成繞組的高度，集成繞組IW1和IW2中導(dǎo)體薄膜的高度hCu應(yīng)該小于窗口高度，因此，高度值設(shè)置為20" mm。由于FMLF技術(shù)中導(dǎo)體薄膜所需材料為銅箔，通常其電流安全密度ks為10 A/mm2。繞組IW1中的濾波電感L1、L2的導(dǎo)體薄膜的厚度tLi（i=1，2）、繞組IW1中變壓器原邊和副邊的導(dǎo)體薄膜的厚度tpri和tsec可以通過公式（5）計(jì)算出：

tLi（i=1，2）=ILi（i=1，2）hCu·kstpri=IprihCu·kstsec=IsechCu·ks（5）

式中：ILi（i=1，2）為流經(jīng)濾波電感；Ipri為變壓器原邊工作電流；Isec為變壓器副邊的工作電流。經(jīng)計(jì)算，濾波電感和變壓器原邊導(dǎo)體薄膜的厚度為150 μm，變壓器副邊導(dǎo)體薄膜的厚度為25 μm。

步驟4：為了實(shí)現(xiàn)集成繞組IW1和IW2中濾波電容Ci（i=2，3）和串聯(lián)諧振電容Cri（i=2，3）功能，需要在兩層導(dǎo)體薄膜中插入一層電介質(zhì)薄膜。電容計(jì)算公式如下：

C=ldie·ε0·εr·hdietdie（6）

式中：ε0為空氣的介電常數(shù)，取值為8.85·10-12；εr為電介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)；tdie為所選電介質(zhì)薄膜的厚度；ldie為電介質(zhì)膜的長度。由于磁芯窗口高度hw的限制（見圖6），電介質(zhì)薄膜的高度值可以選擇20 mm。本文選用厚度為16 μm的聚丙烯（PP，εr=2.2）作為電介質(zhì)薄膜材料。

步驟5：并聯(lián)諧振電感LP由磁化電感Lm實(shí)現(xiàn)。為了防止磁通飽和，氣隙lg1可通過下式計(jì)算：

LP=Lm=μ0·N2pri·Aelg（7）

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)常數(shù)。經(jīng)計(jì)算，lg1與 lg2的值同為0.15 mm。

在電磁集成結(jié)構(gòu)中，諧振電感Lr的功能可以通過在集成繞組中插入漏感薄膜來實(shí)現(xiàn)，漏感薄膜的厚度可以用下式計(jì)算：

Lr=μ0·μlk·N2pri·12·wlk·tlkhlk（8）

式中：μlk、tlk和hlk分別為漏感薄膜的相對(duì)滲透率、厚度和高度；wlk為漏感薄膜到E型磁芯邊柱中心之間的距離。

步驟6：為防止短路，在相鄰的導(dǎo)電薄膜之間插入厚度為60 μm的絕緣薄膜。在手工制作過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)厚度為10 μm的空氣間隙。然后，可以通過下式計(jì)算IW1和IW2的整體厚度tIW1和tIW2：

tTpri=Npritpri+tins+2·tairtTsec=Nsec3·tsec+2·tdie+tins+2·tairtNL1=NL1（tins+2·tL1+tdie+3·tair）tNL2=NL2（tins+2·tL2+tdie+3·tair）tIW1=tNL1+tNL2tIW2=tTpri+tTsec+tlk（9）

最終可以得到，tIW1為6.745 mm，tIW2為4.06 mm，均小于磁芯窗口寬度7.25 mm?？梢姳驹O(shè)計(jì)能夠滿足要求。

3仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證集成單元設(shè)計(jì)的有效性，通過使用Ansoft Maxwell仿真軟件對(duì)準(zhǔn)Z源諧振變流器集成單元進(jìn)行仿真建模與仿真分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)集成單元的有效性。

由圖8（a）可知，當(dāng)工作電流僅通過繞組IW1時(shí)，IW1的磁通密度約為0.293 T。由于氣隙lg2的存在，繞組IW2中的磁通密度很?。s0.017 T），可以忽略不計(jì)。

由圖8（b）可知，當(dāng)工作電流僅通過繞組IW2時(shí)，IW2的磁通密度約為0.048 T。由于氣隙lg1的存在，繞組IW1中的磁通密度很?。s0.003 T），也可以忽略不計(jì)。

由圖8（c）可知，當(dāng)兩個(gè)繞組同時(shí)工作時(shí)可以看出，集成繞組IW1和IW2的總磁通密度最大為0.33 T，小于磁芯的飽和密度（0.47 T），證明了所提出的集成單元設(shè)計(jì)的有效性。

4結(jié)論

為了提高準(zhǔn)Z源諧振變流器的功率密度，采用FMLF集成技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型電磁集成單元，將一個(gè)串聯(lián)諧振電感、一個(gè)并聯(lián)諧振電感、兩個(gè)耦合電感、一個(gè)變壓器、兩個(gè)濾波電容和兩個(gè)串聯(lián)諧振電容全部集成在一組E-E型磁芯中，并基于Ansoft Maxwell仿真軟件搭建了新型電磁集成單元的仿真模型并進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，仿真結(jié)果表明，集成單元運(yùn)行時(shí)的總磁通密度最大為0.33 T，小于磁芯的飽和密度0.47 T，驗(yàn)證了新型電磁集成單元的有效性和正確性。

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