隔離型開關(guān)電感Zeta變換器磁集成研究

李洪珠，張 理，李洪璠，吳劍男

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105；2.三亞學(xué)院理工學(xué)院，三亞572022;3.葫蘆島供電公司，葫蘆島125105）

近幾年，化石能源短缺與環(huán)境污染問題日益加劇，光伏發(fā)電以其清潔、環(huán)保和成本低等優(yōu)勢(shì)成為了當(dāng)今世界可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。隨著光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車和燃料電池等新能源項(xiàng)目受到國家重視與資金支持，高增益直流變換器逐漸得到科研人員的廣泛研究和關(guān)注[2]。直流變換器中，非隔離DC/DC變換器因其電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低而被廣泛應(yīng)用[3-7]。文獻(xiàn)[4]提出采用耦合電感方案，實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益；文獻(xiàn)[5]在Boost變換器中使用了開關(guān)電感單元，得到了較高的升壓能力，但其沒有達(dá)到電氣隔離的目的；文獻(xiàn)[6]將開關(guān)電感單元與交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用到雙向直流變換器中，以實(shí)現(xiàn)高增益。但非隔離變換器存在電壓增益有限、損耗較大和無電氣隔離等缺點(diǎn)。

為了解決這些問題，本文在傳統(tǒng)非隔離型Zeta變換器的基礎(chǔ)上加入變壓器，并將Zeta變換器中的儲(chǔ)能電感用開關(guān)電感單元進(jìn)行替換，同時(shí)利用磁集成技術(shù)將磁性器件進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)較高電壓增益和增加電氣隔離、減小電感電流紋波、降低變換器體積等設(shè)計(jì)目的。最后利用PSIM仿真軟件對(duì)開關(guān)電感Zeta變換器進(jìn)行仿真，并制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 集成開關(guān)電感隔離型Zeta變換器

1.1 變換器拓?fù)?/h3>

磁集成開關(guān)電感隔離型Zeta變換器拓?fù)淙鐖D1所示，該變換器由1個(gè)開關(guān)電感單元、2個(gè)儲(chǔ)能電容、1個(gè)變壓器、1個(gè)輸出電感、濾波電容及負(fù)載組成。用開關(guān)電感單元替換輸入電感，設(shè)L1=L2=L，正向耦合，互感為M1。變壓器T負(fù)責(zé)傳輸能量，N為變壓器變比。

1.2 變換器工作模態(tài)

該變換器可以分為2個(gè)工作模態(tài)，圖2為其主要工作波形。在分析其工作模態(tài)時(shí)，不考慮變壓器漏感并假設(shè)所有電路元件均為理想器件。

工作模態(tài) 1[0～DT]：如圖 3（a）所示，開關(guān)管 S導(dǎo)通，二極管D和D3承受反向電壓截止，D1和D2導(dǎo)通，電源通過開關(guān)管S、二極管D1和D2向并聯(lián)電感L1和L2充電，變壓器T原邊承受電壓為+Ui），副邊則向電容C2、電感L3和負(fù)載供電。

工作模態(tài) 2[DT～T]：如圖 3（b）所示，開關(guān)管 S關(guān)斷，二極管D和D3導(dǎo)通，二極管D1和D2反向截止，電感L1和L2通過D3串聯(lián)放電，變壓器副邊感應(yīng)電流給電容C2充電，電感L3放電，給負(fù)載供電。

1.3 電流紋波分析

由式（1）得輸入電感電流紋波Δi1和輸出電感電流紋波Δi3可分別表示為

式中，D為變換器占空比。

由式（2）可得

根據(jù)伏秒積平衡，由式（3）和式（4）得到電壓增益為

式（5）表明，電壓增益比傳統(tǒng)的Zeta變換器提高了N（1+D）倍，且與耦合系數(shù)無關(guān)。

設(shè)k為耦合系數(shù)，則

結(jié)合式（3）可得，電感耦合情況下電感電流紋波為

Δi1、Δi3分別為輸入、輸出電感電流紋波，在電感大小和D一定的情況下，由式（7）可得，輸入電感電流紋波的大小與k成反比。當(dāng)k=1，即L1與L2全耦合時(shí)，輸入電感電流紋波最小，為非耦合時(shí)的一半；而輸出電感電流紋波與非耦合時(shí)相同，沒有變化。

2 開關(guān)電感隔離型Zeta變換器磁集成

本文所提隔離型開關(guān)電感Zeta變換器含有3個(gè)電感和1個(gè)變壓器，對(duì)于磁件數(shù)目較多的變換器，對(duì)磁件進(jìn)行磁集成就能達(dá)到減小變換器體積、提高效率和功率密度的目的[8]。在磁集成設(shè)計(jì)中，有耦合集成和解耦集成2種方式[9]。隔離型Zeta變換器，可先將變壓器原邊開關(guān)電感，再將耦合電感與變壓器進(jìn)行解耦集成，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

集成磁件采用“EE”型磁芯結(jié)構(gòu)，將耦合電感L1和L2分別分為2組匝數(shù)相同的串聯(lián)繞組和，并纏繞在磁芯的2個(gè)側(cè)柱上，變壓器繞組則纏繞在磁芯的中心磁柱上。磁芯左側(cè)柱和右側(cè)柱的電感L1和L2繞組進(jìn)行正向耦合，電感繞組產(chǎn)生的磁通在磁芯中柱互相抵消，以此實(shí)現(xiàn)了和變壓器的解耦集成。

磁件的建模對(duì)變換器的分析與仿真設(shè)計(jì)具有重要意義。集成磁件的建模方法有多種，本文使用磁路—電路對(duì)偶變換方法進(jìn)行建模。圖4的等效磁路和對(duì)偶磁路分別如圖5（a）和（b）所示，尺度變換后磁鏈與電流關(guān)系如圖5（c）所示，集成磁件等效電路如圖 5（d）所示。

根據(jù)電感和磁阻R之間的關(guān)系，可得到耦合電感繞組自感L及電感繞組間的互感M與相應(yīng)磁路磁阻R的關(guān)系。

電感繞組的自感為

正向耦合電感間互感為

正向耦合系數(shù)為

由前文分析可知，正向耦合電感間的正向耦合系數(shù)越大，電流紋波越小，通過調(diào)整氣隙的磁阻來調(diào)節(jié)Rw，可以控制耦合電感間正向耦合系數(shù)k的值，從而調(diào)整輸入電感電流紋波的大小。

3 變換器仿真與實(shí)驗(yàn)

本文使用PSIM仿真軟件并制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)傳統(tǒng)Zeta變換器和隔離型磁集成開關(guān)電感Zeta變換器的輸入電感電流及輸出電壓進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)。設(shè)置參數(shù)為占空比D=0.67，開關(guān)頻率為100 kHz，輸入電壓 Ui=5 V，電感 L1=L2=L3=10 μF，互感為 0.9，電容 C=50 μH，C1=C2=40 μH， 變壓器繞組 N1為 2匝，N2為4匝。手工制作的集成磁件如圖6所示。

根據(jù)圖 7（a）和（b）的仿真結(jié)果可以看出，隔離型開關(guān)電感Zeta變換器在磁集成與未磁集成情況下輸出電壓都是33 V，而傳統(tǒng)Zeta變換器輸出電壓為20 V。本文所提隔離型磁集成開關(guān)電感Zeta變換器電壓增益比傳統(tǒng)隔離型Zeta變換器提高了1.67倍，驗(yàn)證了第1節(jié)提出的理論分析。

如圖 8（a）和（b）所示，傳統(tǒng)隔離型 Zeta 變換器輸入電感電流紋波為3.28 A，開關(guān)電感未集成時(shí)電感電流紋波為2.90 A。而隔離型磁集成開關(guān)電感Zeta變換器電感電流紋波為1.64 A，較其他2個(gè)電流紋波減小了一半，符合理論分析。

本文搭建圖9所示實(shí)驗(yàn)電路對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)得磁集成隔離型開關(guān)電感Zeta變換器輸出電壓Uo=33 V,未耦合電感電流紋波iL1=3 A，耦合電感電流紋波iL1=1.4 A，如圖10所示。比較可知，當(dāng)電感進(jìn)行耦合集成后，其電感電流紋波比分立電感電流紋波減小一半，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

4 結(jié)論

本文提出一種帶開關(guān)電感單元的隔離型磁集成Zeta變換器，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換器與傳統(tǒng)Zeta變換器相比具有以下特點(diǎn)：

（1）電壓增益得到很大提高。本文所提變換器的電壓增益較傳統(tǒng)Zeta直流變換器提高了N（1+D）倍；

（2）電感電流紋波減小。當(dāng)開關(guān)電感進(jìn)行耦合集成后，其電感電流紋波比分立電感電流紋波減小一半。

綜上所述，該變換器有著優(yōu)良的工作性能，適用于光伏發(fā)電、燃料電池等需要高增益DC-DC變換器的并網(wǎng)系統(tǒng)。