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双频DC-DC变换器的磁集成技术

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1 黄金阳光 发表于 2024-10-4 01:47 | 查看全部 阅读模式
文档摘要:双频Buck变换器由两个降压单元级联构成,具有动态响应快,开关损耗小等优势.然而不足的是磁件占据了整个系统的大部分体积与重量,降低了系统的功率密度.针对这一问题,提出一种三段式绕制磁集成技术,将磁件以解耦的方式集成在一副磁心中.该文首先建立集成磁件的磁路等效模型,通过抵消各绕组之间的耦合作用推导出解耦条件,并详细阐述了磁心的选取、匝数以及气隙的设计原则.其次,利用有限元仿真平台对所提集成磁件进行建模分析,与现有的集成方法相比,磁通密度分布更为均匀,磁心的利用率得到了有效提升.最后,搭建一台48V/12V、108W的实验样机,体积和重量同分离磁件相比降低了31.2%和25.3%,提高了系统的功率密度,验证了该集成方法理论分析的正确性和可行性.

Abstract:Miniaturizationandhighpowerdensityarethedevelopmenttrendsinmodernpowerelectronicconverters.However,theincreaseinhighfrequencyinevitablyleadstointensifiedswitchinglosses,reducedconverterefficiency,andincreasedelectromagneticinterference.Thesefactors,tosomeextent,limittheimprovementofconverterperformance.Inresponsetothesechallenges,variousmethodshavebeenproposedtoaddresstheconflictingrelationshipbetweenhighfrequencyandefficiency.Softswitchingtechnology,converterparalleltechnology,anddoublefrequencyconvertershavebeenutilizedinpowerelectronicconverterstoenhancesystemperformance.Althoughthesemethodscontributetoimprovement,mostoftheminvolvetheconverter'smagneticcomponents,leadingtolargerconvertersizesandrelatedenvironmentalissues.Toaddresstheseissues,thispaperproposesathree-sectionwindingintegratedmagnetic(TSWIM)techniquebasedonadoublefrequencyDC-DCconverter.Thistechniquedecouplesandintegratesthemagneticcomponentswithinonecoreoftheconverter.Throughtheoreticalanalysis,simulation,andexperimentalvalidation,itisdemonstratedthatthisintegrationmethodachievesauniformlydistributedmagneticfluxdensitywithinthemagneticcore.Consequently,itreducesthevolumeandweightoftheconverter,whileimprovingthepowerdensityofthesystem.Firstly,thispaperestablishesanequivalentmagneticcircuitmodelfortheTSWIManddeducesthedecouplingconditionbymitigatingthecouplingeffectbetweeneachwinding.Toselectasuitablecoremodel,carefulconsiderationisgiventothemagneticsaturationproblemandwindowareadimensions.MathematicallyderivingthemaximummagneticfluxdensitygeneratedbyeachmagneticcolumnofthecorefromtheTSWIMhelpsdetermineifthecore'ssaturationmagneticfluxdensityisreached.Finally,thenumberofturnsintheintegratedwindingandthecalculationmethodoftheairgapareelaboratedupon.Secondly,theworkingprincipleofthedoublefrequencyDC-DCconverterundertheintegrationisanalyzed,andbyconstructingthegyrator-capacitormodeloftheTSWIM,theco-simulationmethodisutilizedtoverifythattheintegrationmethodcanenabletheconvertertooperatenormally.Then,theTSWIMissubjectedtofiniteelementsimulationwiththeexistingintegrationmethod(IM),andtheresultsshowthattheTSWIMhasamoreuniformfluxdensitydistribution,smallerfluxdensity,andsmallermagneticlossbycomparingthefluxdensityandmagneticcorelossofthetwo.Finally,a48V/12V,108WexperimentalprototypewasconstructedtovalidatetheTSWIMandcompareitwiththeseparatedmagneticpart(SM)aswellastheIM.Basedontheexperimentalfindings,itcanbeconcludedthatboththeIMandtheTSWIMdemonstratearelativelysimilarresponsespeed,approximately2.85ms,withrespecttooutputvoltageanddynamicresponseofhigh-frequencyinductorcurrent.Intermsoflow-frequencyinductorcurrent,theTSWIMandtheSMmirrorthefluctuationsinhigh-frequencyinductorcurrent,exhibitingaresponsespeedofaround3.2ms.Consequently,theTSWIMandtheSMremainnearlysynchronized.Conversely,theIMexhibitacomparativelyslowerdynamicresponsespeed.Fromtheefficiencycomparison,theefficiencyoftheTSWIMisclosertothatoftheSM,andthevolumeandweightarereducedby31.2%and25.3%comparedwiththeSM,whichimprovesthepowerdensityofthesystem,andtheexperimentsandsimulationsverifythecorrectnessofthetheoreticalanalysis.

作者:高圣伟  李永宵  田金锐  刘磊Author:GaoShengwei  LiYongxiao  TianJinrui  LiuLei
作者单位:天津工业大学电气工程学院天津300387;天津市电气装备智能控制重点实验室天津300387
刊名:电工技术学报 ISTICEIPKU
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(13)
分类号:TM46
关键词:双频Buck变换器  解耦集成  有限元仿真  磁通密度  功率密度  
Keywords:DoublefrequencyBuckconverter  decouplingintegration  finiteelementsimulation  magneticfluxdensity  powerdensity  
机标分类号:TM46TM910.6TM89
在线出版日期:2024年7月22日
基金项目:国家自然科学基金,天津科技规划项目双频DC-DC变换器的磁集成技术[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(13)高圣伟  李永宵  田金锐  刘磊双频Buck变换器由两个降压单元级联构成,具有动态响应快,开关损耗小等优势.然而不足的是磁件占据了整个系统的大部分体积与重量,降低了系统的功率密度.针对这一问题,提出一种三段式绕制磁集成技术,将磁件以解耦的方式集...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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关键词:双频Buck变换器,解耦集成,有限元仿真,磁通密度,功率密度,

2024-10-4 01:47 上传
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