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哈工大学者提出一种适用于宽增益范围的可重构单级DC-DC变换器

A reconfigurable single-stage DC-DC converter suitable for a wide gain range is proposed

作者:本站  来源:转载  浏览:220  发布时间:2023-11-15

       近年来,随着新能源储能系统、通信基站、服务器电源以及电动汽车充电等领域的快速发展,相应系统对DC-DC变换器提出了更高的要求。其往往需要具有宽输入、宽输出能力的高降压比DC-DC变换器。以LLC为代表的谐振变换器凭借其易于实现软开关、拓扑元件数量少并且具有低电磁干扰的优势,成为高频、高效、高密度电源领域的研究热点。

       然而,当电压增益范围比较大时,LLC变换器的励磁电感值会比较小,导致一次侧环流和开关管导通损耗比较高。因此单一LLC变换器不能同时满足以上场景下宽增益范围和高效高功率密度要求。

       常用的LLC谐振变换器的改进方法有三种。

       首先是自适应改变等效励磁电感,该方法主要是在宽增益范围的边界附近适当增大变压器的励磁电感,以达到减小损耗、提高效率的目的。然而采用这种方法时,变压器和功率半导体器件的数量明显增多,体积和成本大大增加。

       第二种改进方法是采用多元件谐振腔。在LLC谐振腔归一化频率大于1时,LLC变换器的增益曲线比较平缓,因此为了实现低电压增益变换,可以在LLC谐振腔的基础上引入陷波单元,构成各种多谐振变换器。然而,由于谐振元件较多,关于这类变换器的分析和设计研究的还不够充分,同时各谐振参数对增益曲线的影响也并不清晰,因此这类变换器在实际工程领域使用较少。

第三种方法是自适应改变谐振腔输入电压。传统的改变谐振腔输入电压是通过对全桥LLC变换器,采用特定的开关控制方法,以实现逆变网络在全桥和半桥模式之间的切换。然而在较高的输入电压场景下,全桥结构对开关管的应力要求较高。

       此外,在数据中心供电系统、通信基站电源等场景下的变换器往往还需具有低压大电流输出的能力。采用多路并联分流输出仍是减小大电流损耗的有效方式。矩阵变压器是解决高降压比隔离变换器的大电流输出问题的最佳选择。

       矩阵变压器通过减少每个单元的匝数比来简化整体变压器的绕组设计难度,这种简化对大电流应用非常重要,因为过于复杂的绕组会在很大程度上提高变压器的绕组损耗,并且增加印制电路板(PCB)的制作成本。同时矩阵变压器中的绕线结构、PCB厚度和线圈端接方式均对线圈损耗和漏感存在较大影响。而且对于传统使用分离磁元件的矩阵变压器还可以进一步将其集成到单个磁心中,以减小磁心损耗并提高变换器的功率密度。此外,矩阵变压器还存在很多优化设计的空间。

       针对拓扑所需的平面矩阵变压器,哈尔滨工业大学电力电子与电力传动研究所的管乐诗、温兆亮、许晓志、王懿杰、徐殿国,在2023年第6期《电工技术学报》上撰文,基于开关电容结构与谐振网络单元的优势,提出适用于宽增益范围的模块化可重构单级DC-DC变换器,可根据输入电压范围来选择串入模块的数量,从而达到等效压缩谐振单元输入电压范围的目的,实现了变换器在宽增益范围内的高效率。

图1 所提出的磁集成结构

图2 500W试验样机实物图

图3 样机效率曲线

       同时,为了减小器件并联带来的不均流和局部过热等问题,科研人员还设计了一种磁集成结构以代替传统采用分立磁心实现的平面矩阵变压器,并对比展示了所提出磁集成结构在变压器总损耗与功率密度上的优势,同时还给出了所提出磁集成结构变压器的损耗计算模型及其优化设计的方法。

       他们最后针对宽增益场景设计了输入电压为200~400V,额定功率500W的样机,可实现宽电压增益范围工作,峰值效率可达94.1%。验证了拓扑以及磁结构的有效性和正确性。