李洪珠 范蘢蘢

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

1 引言

雙管正激變換器由于開關(guān)管無直通風(fēng)險(xiǎn)、電壓應(yīng)力低、工作可靠性高、無須增設(shè)去磁回路等優(yōu)點(diǎn)，在低壓大電流的中小功率電子通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一些學(xué)者利用磁集成技術(shù)，有效地減小了無源元件的體積和電流紋波，降低了磁件損耗，提高了效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[1]將正激變換器的輸出濾波電感和變壓器原邊、副邊以及復(fù)位繞組進(jìn)行磁集成，分析了耦合電感紋波減小的條件，總結(jié)了磁件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[2]針對雙管正激變換器占空比不能超過0.5的問題，提出一種非隔離新型高降壓比變換器，但兩個(gè)電抗器為分立元件，磁件體積較大。文獻(xiàn)[3]提出一種“目”字型耦合電感器結(jié)構(gòu)，將耦合電感纏繞在中間兩個(gè)U型磁心上，外層兩個(gè)U型磁心未纏繞任何繞組，可以提供足夠大的漏感來實(shí)現(xiàn)LLC的諧振電感參數(shù)，但磁心的利用率相對低下，對其他拓?fù)涞膽?yīng)用效果較差。文獻(xiàn)[4]提出了一種并聯(lián)buck功率脈動(dòng)緩沖器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對改善功率密度有較好的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[5-8]對電磁集成的方法和應(yīng)用做了分析，通過電磁集成可以進(jìn)一步縮小無源元件體積，提高樣機(jī)功率密度，但尚未對其他隔離型拓?fù)溥M(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于棱邊元與節(jié)點(diǎn)元耦合的計(jì)算變壓器鐵心損耗的E-Ψ法模型，為集成磁件的損耗計(jì)算提供了更精確的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[10]基于磁性材料的磁致彈性伸縮特性，建立了變壓器鐵心的振動(dòng)模型并進(jìn)行了仿真分析，但沒有結(jié)合具體的變換器分析磁心形變造成的影響。文獻(xiàn)[11]用有限元法研究分析了磁飽和強(qiáng)度對變壓器涌流的影響。文獻(xiàn)[12]將集成磁件中交變磁通正向耦合的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于雙管正激變換器，詳細(xì)分析了各種脈動(dòng)波形所對應(yīng)的集成磁件的繞組條件和磁阻條件。文獻(xiàn)[13]提出一種新型單元耦合結(jié)構(gòu)陣列式可變耦合度集成磁件，比傳統(tǒng)整體磁心耦合電感具有更好的特性。文獻(xiàn)[14]綜述了FMLF集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，闡述了其未來的研究領(lǐng)域。文獻(xiàn)[15]提出一種新型PCB繞組磁結(jié)構(gòu)，可以很容易地通過改變磁心截面積或氣隙長度來控制電感值。電磁集成技術(shù)可以進(jìn)一步縮小磁件體積，減小磁件損耗。

本文研究了ZVT軟開關(guān)雙管正激變換器的工作原理，針對帶有諧振回路的軟開關(guān)變換器，研究電磁集成，利用EE磁心合理設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)，并于中間磁柱氣隙填充高磁導(dǎo)率的坡莫合金(MPP)帶材，對變壓器和電感以及電容進(jìn)行集成，在縮小樣機(jī)體積、提高功率密度上有較大的改進(jìn)。通過ANSYS電磁場仿真發(fā)現(xiàn)，由于采用坡莫合金將中柱氣隙均分，使得磁件整體磁通密度分布相對于傳統(tǒng)的EE型磁集成變壓器更加均勻，繞組漏磁和氣隙處的擴(kuò)散磁通明顯減小，對減小磁心渦流損耗和額外繞組損耗有較大的幫助。

2 軟開關(guān)雙管正激變換器原理分析

零電壓轉(zhuǎn)換雙管正激變換器的電路拓?fù)淙鐖D1所示。傳統(tǒng)的雙管正激變換器有3個(gè)主要模態(tài)，而ZVT雙管正激變換器有6個(gè)模態(tài)。

圖1 ZVT雙管正激電路拓?fù)鋱D

(1) 模態(tài)1(t0～t1)：在t0之前，主開關(guān)管Q1、Q2和輔助開關(guān)管Qa都處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載電流Io通過DR2續(xù)流，t0時(shí)刻開通Qa，Lr和Cr開始諧振，ta時(shí)刻，電流升至最大值iLrmax=UiZr，電壓下降至0。然后電流開始下降，電壓反向增加，同時(shí)主開關(guān)管Q1和Q2的端電壓開始從 0.5Ui開始下降。在t1時(shí)刻，主開關(guān)管兩端電壓下降至0，零電壓開通操作準(zhǔn)備就緒。

DR1導(dǎo)通，DR2關(guān)斷，開始向負(fù)載供電，假設(shè)濾波電感oL足夠大，忽略電流紋波，將濾波和負(fù)載部分看作一個(gè)恒流源Io，變壓器T原邊電流Pi表達(dá)式為

在t2時(shí)刻，關(guān)斷開關(guān)管Q1、Q2，此模態(tài)持續(xù)時(shí)間為t12=Ton，可見此模態(tài)沒有軟開關(guān)輔助回路的參與，諧振電容電壓UCr在這個(gè)模態(tài)保持在?Ui。

(3) 模態(tài)3(t2～t3)：開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管因電容Cr的限制實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。原邊電流iP開始通過二極管D1和D2給諧振電容Cr充電，在t3時(shí)刻，Cr上電壓上升至0，開關(guān)管電壓上升至 0.5Ui。

(4) 模態(tài)4(t3～t4)：在t3時(shí)刻，開關(guān)管完成關(guān)斷動(dòng)作，DR1關(guān)斷，DR2導(dǎo)通，負(fù)載電流通過DR2續(xù)流，此時(shí)，原邊只有勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電感與諧振電容開始串聯(lián)諧振，變壓器反向磁化，勵(lì)磁電流減小，諧振電容電壓從0開始正向增加。到t4時(shí)刻時(shí)，UCr上升到+Ui，開關(guān)管電壓也從 0.5Ui上升到Ui。

(5) 模態(tài)5(t4～t5)：串聯(lián)諧振結(jié)束，二極管D4和D5得以導(dǎo)通，勵(lì)磁電感和變壓器漏感承受反向電壓Ui，開始去磁復(fù)位，原邊電流(即勵(lì)磁電流)線性下降，并將UCr鉗位在Ui。t5時(shí)刻，原邊電流下降到0，開關(guān)管兩端電壓從Ui變?yōu)?0.5Ui，變壓器磁復(fù)位完成，D4和D5截止。

(6) 模態(tài)6(t5～t6)：原邊電流為0，原邊電路均不工作，副邊負(fù)載電流繼續(xù)通過二極管DR2續(xù)流，等待進(jìn)入下個(gè)周期。

3 電磁集成分析

集成磁件采用EE型磁心，材質(zhì)為PC40，初始磁導(dǎo)率約為2 300，中柱填充的坡莫合金(MPP)材料初始磁導(dǎo)率為2×104～2×105，等效地增加了中柱的磁導(dǎo)率。

集成磁件磁通分布圖如圖2所示，用坡莫合金將氣隙1δ均分后，氣隙1δ處擴(kuò)散磁通的擴(kuò)散范圍縮小，同時(shí)由于中柱整體磁導(dǎo)率變高，限制繞組漏磁通的產(chǎn)生，減少了渦流損耗的影響。對應(yīng)的等效磁路如圖3所示，因電感只與匝數(shù)和磁阻有關(guān)，可將電感表示為

圖2 EE型集成磁件磁通分布

圖3 磁件等效磁路

3.1 耦合分析

如圖2所示，φP=φf+φm，原邊電流iP=if+im，φS與φf等值反向，即φS+φf= 0，磁通φm與φLo正向耦合，并在中柱磁心出口處分左右經(jīng)兩側(cè)邊柱流回中柱，二者為全耦合。

3.2 解耦分析

諧振電感繞組內(nèi)電流iLr1產(chǎn)生磁通φLr1；電流iLr2在產(chǎn)生磁通φLr2。NLr1=NLr2且 gap1=gap2，磁通在中柱反向抵消，即φLr1+φLr2= 0，實(shí)現(xiàn)完全解耦。

3.3 電容集成

該研究的ZVT雙管正激變換器利用電磁集成獲得諧振電容Cr，諧振電感rL采用金屬箔繞制，同時(shí)作為電容的極板，通過加入電介質(zhì)薄膜形成電容。電磁集成通用結(jié)構(gòu)與分布參數(shù)模型如圖4所示，該結(jié)構(gòu)為通用LC單元，通過不同的引線連接方式可以實(shí)現(xiàn)不同的諧振和子電路結(jié)構(gòu)。將LC單元的a和c之間短接，b、d和c節(jié)點(diǎn)接入電路，得到LC并聯(lián)諧振的等效電路如圖5所示。

圖4 LC單元結(jié)構(gòu)及其DEMC模型

圖5 諧振LC單元的等效集總參數(shù)模型

電磁集成正激變換器結(jié)構(gòu)如圖6所示，將電路中諧振電感 rL、諧振電容Cr、變壓器T和濾波電感oL集成在一對EE型磁心上。

圖6 電磁集成結(jié)構(gòu)的正激變換器

4 集成磁件參數(shù)設(shè)計(jì)及電磁場仿真

仿真參數(shù)設(shè)置如下：輸入直流電壓30 V，輸入功率Pin=60 W，輸出電壓6 V，滿載阻值0.6 ?，輸出滿載電流10 A，最大輸出功率60 W，效率預(yù)設(shè)90%，即預(yù)設(shè)輸出功率Po=54 W，開關(guān)頻率為100 kHz。

4.1 磁心設(shè)計(jì)

采用不同的集成技術(shù)，選用的磁心形狀一般不同，F(xiàn)MLF集成技術(shù)多采用鐵氧體E型磁心，用AP法設(shè)計(jì)磁心的型號尺寸。

式中，窗口面積利用系數(shù)Kω取0.35；運(yùn)行磁通密度BAC取0.13 T；原邊電流波形系數(shù)Kf取4；電流密度J取300 A/cm2。

算出AP值等于0.232 6 cm4，通過查詢EE磁心規(guī)格手冊，選擇EE/30/15/7型號鐵氧體磁心作為此次設(shè)計(jì)的磁心，其參數(shù)表如表1所示。

表1 EE30磁心參數(shù)表

4.2 繞組參數(shù)與氣隙長度設(shè)計(jì)

(1) 變壓器原邊繞組參數(shù)設(shè)計(jì)

其中，ΔB取0.21 T，為了承受突加負(fù)載，最大占空比取0.45，變壓器原邊匝數(shù)取整為10。

(2) 變壓器副邊繞組參數(shù)設(shè)計(jì)

式中，匝比n取整為2，由式(9)算得NS為5匝。

(3) 氣隙長度設(shè)計(jì)。氣隙長度計(jì)算表達(dá)式

式中，PL為原邊電感，單位為H，由上文給出的參數(shù)值可求出所需氣隙長度為101 μm。

(4) 集成濾波電感參數(shù)設(shè)計(jì)。分立的濾波電感最小設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為

忽略整流二極管DR1壓降，r取0.25，計(jì)算得到非集成的最小濾波電感感值為14.4 μH，繞組匝數(shù)NLo取為變壓器副邊的一半，即2.5匝。由于氣隙開101 μm，各磁柱磁阻較未開氣隙時(shí)增大約8.22倍，為保證電感設(shè)計(jì)裕量，匝數(shù)在原來基礎(chǔ)上擴(kuò)大8.22(約2.87)倍，各繞組參數(shù)如表2所示。

表2 各繞組參數(shù)

4.3 諧振電感和諧振電容設(shè)計(jì)

(1) 薄膜厚度設(shè)計(jì)。在選擇銅箔寬度和厚度時(shí)，考慮溫升和損耗，銅箔參數(shù)需要滿足式(12)

式中，Im是流經(jīng)磁件的最大電流值；W是銅箔寬度；d是銅箔厚度。

取上限值10 A/mm2得最大計(jì)算值dmax為120 μm，取0.1 mm厚度紫銅箔作為電感繞組。平行極板間電容計(jì)算公式如下

式中，d′為介質(zhì)層厚度，厚度越小，能集成的電容越大，選0.06 mm聚酰亞胺作為電介質(zhì)，其rε約為3.5。

絕緣薄膜采用0.1 mm厚度聚丙烯材質(zhì)，其rε′約為2.2，損耗系數(shù)為0.000 2。

(2) 諧振電容、諧振電感設(shè)計(jì)。諧振電容的大小取決于開關(guān)管關(guān)斷電壓vds的上升率，在最大負(fù)載條件下vds從0上升到電源電壓大約用時(shí)(2～3)tf。

式中，tf是開關(guān)管從接到分閘指令到完全斷開的時(shí)間，取tf=6ns，算得諧振電容容值為2～3 nF，取3 nF。

輔助電路工作時(shí)間較小，可根據(jù)式(15)設(shè)計(jì)

式中，rT是諧振周期；X是常數(shù)，取X=13。

根據(jù)式(15)可得諧振電感表達(dá)式

根據(jù)式(13)展開分析，粗略的集成電容值計(jì)算公式如下

式中，絕緣薄膜厚度d′′為0.1 mm，電介質(zhì)層寬度W′均為18 mm，諧振LC單元一匝電介質(zhì)層長度ldie為24 mm，將已知參數(shù)代入式(17)求得一匝繞組集成的Cr計(jì)算值為0.3 nF，需求電容量為3 nF，左右邊柱需要各集成1.5 nF，每邊取5匝的銅箔即可實(shí)現(xiàn)20 μH的諧振電感值并集成3 nF的諧振電容。

4.4 磁件損耗分析

磁心損耗可利用steinmetz公式計(jì)算

式中，Cm、α和β由f= 100kHz，B= 200mT ，θ= 100℃條件下磁心的功率損耗曲線可求得，Cm取0.019，α取值1.848，β取2.81。計(jì)算得到磁心損耗為1.435 W。

銅箔損耗的計(jì)算公式如下

集膚效應(yīng)因數(shù)表達(dá)式如下

式中，銅箔電阻率ρ為1.724×10?8，真空磁導(dǎo)率為μ0= 4π × 10?7，算得集膚深度因數(shù)Δ為0.476。

將Δ= 0.476代入式(21)算出y1和y2，并代入式(22)算得變壓器原、副邊，濾波電感，諧振電感各繞組的Q值分別為12.31、3.26、1.72、1.94。

變壓器原、副邊和濾波電感的銅箔長度l分別為784 mm、392 mm、196 mm，寬度W都是8 mm，算得各繞組電阻為0.018 ?、0.008 ?、0.004 ?、0.002 ?。最后通過式(19)計(jì)算得到交流銅箔損耗為2.063 W。

另外，電介質(zhì)損耗的計(jì)算公式如下

式中，介質(zhì)損耗角σ為0.001，經(jīng)計(jì)算得到電介質(zhì)損耗為0.27 mW。

4.5 電磁場有限元分析

經(jīng)ANSYS電磁場仿真分析證明，磁件解耦部分單獨(dú)加激勵(lì)磁通密度分布如圖7所示，諧振電流iLr產(chǎn)生的磁通?Lr均勻分布在邊柱回路。中柱磁通?z= 0，與繞在中柱的變壓器繞組和濾波電感繞組實(shí)現(xiàn)完全解耦。

圖7 解耦部分單獨(dú)加激勵(lì)磁密分布

所有截面同時(shí)加激勵(lì)磁密矢量分布如圖8a所示，磁件整體磁感應(yīng)強(qiáng)度不超過0.3 T，設(shè)計(jì)的101 μm氣隙能夠滿足磁場不飽和的條件。

如圖8b所示，變壓器原副邊采用三明治繞法，使得中柱氣隙不被任何繞組包裹。用坡莫合金將中柱氣隙均分成多個(gè)小氣隙，等效提高中柱平均磁導(dǎo)率，限制了繞組漏磁通的產(chǎn)生，從而減小了磁心上導(dǎo)體的渦流損耗。同時(shí)，對比圖8a和圖8b可以發(fā)現(xiàn)，同樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，氣隙處擴(kuò)散磁通明顯減少。

圖8 磁件電磁場仿真分析

如表3所示，通過ANSYS電磁場仿真得到的參數(shù)與計(jì)算值基本相符，驗(yàn)證了理論的正確性。

表3 各參數(shù)計(jì)算值與仿真值

5 仿真與試驗(yàn)

5.1 仿真驗(yàn)證

按照設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行仿真，得到濾波電感在兩種不同情況下的紋波如圖9所示，未采用磁集成的濾波電感紋波電流約為0.651 51 A；采用磁集成并取kTL為0.906時(shí)的電流紋波約為0.390 2 A，下降了約40.1%，即ε為0.599。由式(11)可知，耦合度kTL= 0.906時(shí)紋波系數(shù)ε≈ 0.525，耦合度kTL取1(全耦合)時(shí)紋波系數(shù)最小εmin= 0.5，仿真和試驗(yàn)測得的電流紋波比理論分析的要略大，是因?yàn)槿鄙賹纱偶└械木_分析。

圖9 濾波電感集成前后電流紋波對比

6 V/10 A軟開關(guān)雙管正激變換器中 1Q和 2Q的漏源電壓vds和漏源電流ids波形如圖10所示。在圖10a中，開關(guān)管電流ids上升前，vds已經(jīng)降到零，不會產(chǎn)生交疊損耗；同理從圖10b可看出，開關(guān)管關(guān)斷電壓vds上升前，流過開關(guān)管的電流就已經(jīng)下降到0，未產(chǎn)生交疊損耗，實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的軟開關(guān)條件。

圖10 軟開關(guān)波形

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)樣機(jī)基本參數(shù)與仿真設(shè)計(jì)一樣，MOS管選用IRF640，二極管選用MBR20200CT，分立磁件磁心選用GU36和GU42，經(jīng)仿真，其磁密大概為0.2 T。EE30型集成磁件與分立磁件的對比如圖11所示，窗口利用率都在0.6左右，集成磁件比分立磁件節(jié)省了約45.3%的空間，試驗(yàn)樣機(jī)如圖12所示，相比于傳統(tǒng)ZVT雙管正激變換器，節(jié)省了分立的濾波電感和諧振電容，有效提高了樣機(jī)功率密度。

圖11 磁件樣機(jī)

圖12 試驗(yàn)樣機(jī)

各繞組兩端電壓波形和濾波電感電流波形如圖13所示，基本與仿真一致。

圖13 各繞組電壓與電流波形

效率曲線如圖14所示，通過調(diào)節(jié)負(fù)載，測得不同情況下的樣機(jī)效率，未采用集成技術(shù)的雙管正激變換器的效率處于(80%，84%)區(qū)間內(nèi)；加入集成技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)后，效率得到明顯提升，但由于低壓大電流的輸出環(huán)境，60 W集成樣機(jī)效率值保守位于區(qū)間(89%，92%)內(nèi)。

圖14 雙管正激變換器集成與非集成效率曲線

6 結(jié)論

為了進(jìn)一步解決軟開關(guān)雙管正激變換器樣機(jī)體積較大，磁件損耗較高的缺點(diǎn)，本文研究了ZVT軟開關(guān)雙管正激變換器中變壓器與濾波電感、諧振電感、諧振電容之間的電磁集成得出如下結(jié)論。

(1) 開關(guān)電源中無源元件占用體積很大，采用電磁集成技術(shù)可以用柔性帶材來實(shí)現(xiàn)容性無源元件和感性無源元件的集成，減少分立元件個(gè)數(shù)，提高磁心利用率和樣機(jī)功率密度。

(2) 在EE型磁心中柱用坡莫合金帶材分段填充氣隙，既可將一個(gè)大氣隙分成幾個(gè)等距小氣隙，從而有效減少氣隙擴(kuò)散磁通所造成的繞組損耗；又可增大中柱磁導(dǎo)率，減少漏磁通，從而減小渦流損耗。

(3) 輸出濾波電感和變壓器繞組在中柱正向全耦合，可以減小電感電流紋波，取nTL=2，耦合度kTL為0.906時(shí)，紋波系數(shù)為0.524。但由于變壓器和濾波電感緊耦合，導(dǎo)致該磁件只能適用于輸入電壓和占空比固定的場合。