EIE型磁集成諧振電感器在雙向LLC諧振變換器中的應用*

楊玉崗， 張 亮， 張立飛， 苗懷錦

(遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

LLC諧振拓撲具有自然軟開關[1]特性，工作在適當的頻率范圍內，能夠實現開關管的零電壓開關(zero voltage switching,ZVS)和整流管的零電流開關(zero current switching,ZCS)，具有高效率的同時兼顧高功率密度，是近年來研究的熱點。雙向化能夠大幅度減小系統的體積重量及成本，更有可能在現有的電路中使用同步整流的工作方式降低通態損耗，此類拓撲在燃料電池管理系統、不間斷電源系統(uninterrupted power supply,UPS)及新能源電動汽車等領域中十分常見[2～4]。但是，雙向LLC諧振變換器仍然面臨著一個重大難題，那就是磁元件個數的增加，帶來功率密度降低，損耗增加。

磁集成技術是指通過合理的參數設計，通過一定的耦合方式使電力電子系統中多個分立的磁元件(電感、變壓器等)變成一個集成磁元件，能夠大大減小體積、重量、損耗及電源輸出紋波，提高電力電子設備的整體性能。還有一種特殊的集成方式：解耦集成，解耦集成能夠減小磁件體積重量且不影響工作特性。解耦集成可分為兩種：提供低磁阻磁路實現解耦與抵消繞組間的耦合作用實現解耦。

對于雙向LLC諧振變換器諧振電感的磁集成方案，文獻[5]已經進行過原理分析，得到了電磁設計準則，現針對其進行改進[5]。設計一種新的磁件結構，在解耦磁集成減小磁件體積的同時，減小渦流損耗，效率也得到一定的提升。本文提出一種EIE型電感器結構，給出了磁阻模型，通過MAXWELL軟件進行了仿真，并將其與EI型電感器結構進行了對比。最后在雙向輸入電壓分別為48 V/400 V、滿載功率為1 kW的試驗樣機進行了驗證。

1 EIE型電感器

1.1 EIE型電感器結構

提出的EIE型解耦集成電感結構，如圖1所示，兩個I形鐵心居中，兩個E形鐵心分別置于I形鐵心兩側，構成EIE型電感器的鐵心體，繞組在I形鐵芯。

圖1 EIE型集成磁件結構

這種磁芯結構增加了一條并聯磁路，有效地減小了每條磁路磁通，可使磁路磁壓、磁通均勻分布，氣隙擴散磁通、磁路磁阻減小。繞組在I形鐵心上，可以避開氣隙造成的高頻磁場切割，既增大了電感因數，又減小了線圈渦流損耗。解耦集成時，兩個E形鐵心中柱與I形鐵心無縫連接，磁阻遠小于開有氣隙的側柱，兩個諧振電感之間基本無耦合，改變側柱的長度以調節氣隙的大小。該磁件結構屬于提供抵消磁阻磁路實現解耦集成。

1.2 EIE型電感器磁路模型

根據磁路的歐姆定律，并將氣隙磁阻的磁場邊緣效應以及繞組外面空氣的漏磁通考慮在內得到的EIE型耦合電感器的磁路模型如圖2(a)所示，串聯磁阻合并后的磁路模型如圖2(b)所示。

圖2 磁通分布與磁路長度

圖中，Rg1，Rg2為氣隙磁阻，Rair1，Rair2為空氣磁阻。

圖2(b)中的磁阻用圖2(a)中的磁阻表示

(1)

1.3 EIE型電感器電感值計算

在實際測量中，根據電感與磁阻的關系，反向電感開路，得到正向電感的自感，反向電感短路，得到正向電感的漏感；反向電感的自感和漏感同理。EIE型耦合電感器的自感和漏感分別為

(2)

2 EIE型電感器與EI型電感器對比

EI型磁芯結構，由兩個E形鐵心并排組成新的大E形鐵心，由兩個I條并排組成新的大I條。磁件結構如圖3所示，EI型磁件結構同樣利用提供抵消磁阻磁路實現解耦集成的原理。

圖3 EI型集成磁件結構

2.1 體積與繞組周長對比

EI型鐵芯與EIE型鐵芯均由相同的I形鐵心與E形鐵心通過不同的排列組成，以確保兩者體積相等。E形磁芯與I條磁路如圖4所示，參數a,b,c,d,h分別為3.5，7.0，6.5，7.0，10.7 mm。其中，h為磁芯厚度。

圖4 E形磁芯與I條磁路長度

EI型鐵芯繞組在側柱，側柱周長為2(a+2h)=49.8 mm，EIE型鐵芯繞組在I條上，其周長為2(2a+h)=35.4 mm，EIE型結構繞組長度比EI型結構減小(49.8-35.4)=14.4 mm，減小率為(14.4/49.8)=28.9 %，可見EIE型結構更加省銅。

2.2 磁力線分布理論分析

EI型結構不對稱，電感繞組在側柱，繞線包裹氣隙，而鐵芯氣隙處的磁通量一般最為集中，由于鐵芯氣隙處會產生磁通擴散現象，因此，在氣隙周圍的銅線繞組上會出現感應渦流，氣隙的擴散磁通損耗大。而旁路磁通則穿過兩個鐵芯柱間的繞組窗口，在銅線繞組上感應出很大的渦流損耗。因此，EI型磁芯解耦集成，雖然縮小了變換器體積，減小了磁件重量，但效率提升效果不明顯。

EIE型結構將電感繞組繞在I形磁芯上，有效避開了擴散磁通的切割，在銅線繞組上的感應渦流損耗比EI型結構小。且磁密分布更加均勻，不易飽和，自感互感以及耦合系數大，更加省銅；擴散磁通和旁路磁通小，渦流損耗以及電磁干擾減小。

3 仿真與實驗

以升壓為例，原邊輸入電壓小，流過諧振電感[6]的電流大，在滿載時，電感電流達到最大，要保證鐵芯的最大磁密不能超過鐵芯材料的飽和磁密。EIE型電感器應用在雙向LLC諧振變換器中，電路拓撲如圖5所示。

圖5 雙向LLC諧振變換器電路拓撲

搭建了一臺48～400 V/1 kW的實驗樣機，實驗參數：諧振電感Lr1，Lr2分別為0.51，35.24 μH；諧振電容C1，C2分別為4.97，0.072 μF；勵磁電感Lm為10.15 μH；變比n為3∶25；開關頻率fs為100 kHz。

3.1 仿 真

利用ANSYS電磁場3D仿真軟件分別對EIE型和EI型電感器在同等條件下(N=1，L=0.58 μH)進行建模對比分析。根據設計要求，變換器工作在滿載時，諧振腔[7]電感電流有效值達到25 A，分別對EIE型和EE型電感器模型繞組通過25 A電流，得到磁感應強度仿真結果如圖6所示，電感仿真值如圖7所示。

圖6 磁感應強度

圖7 電感仿真結果

由圖6可知，EIE型電感器最小磁感應強度比EI型電感器大，磁通密度、磁勢分布更加均勻，抗飽和能力強。由圖7可知，EIE型電感結構與EI型電感結構，互感非常小，驗證了解耦集成的實現；氣隙為0.808 mm時，EIE型電感器電感仿真值為0.580 74 μH，氣隙為0.349 mm時，EI型電感器電感仿真值為0.580 98 μH，同等電感值，EIE型電感器的氣隙更大，可見EIE型電感器電感因數大，更加省銅。

利用ANSYS電磁場2D仿真軟件分別對EIE型和EI型電感器在同等條件下(N=1，g=0.8 mm)進行磁力線對比分析，如圖8所示。

圖8 磁力線分布

EIE型電感器氣隙更加分散，擴散磁通更小；繞組遠離氣隙，擴散磁通在繞組上產生的感應渦流損耗更小。由圖8可知，EIE型和EI型電感器，氣隙開在側柱，中柱不開氣隙，均實現了兩相磁通基本無耦合的目的。EI型電感器繞組窗口內部與外部，均有更多的磁力線分布，窗口外部擴散磁通更加嚴重，造成很大的渦流損耗；而EIE型電感器繞組只有在臨近氣隙處的一側有一定量的旁路磁通，感應渦流損耗，較EI型電感器更小，效率更高。

3.2 實 驗

采用DSP28335控制器，電感實物放大圖如圖9所示，實驗電路系統如圖10所示。

圖9 電感實物

圖10 實驗電路系統

圖11給出了變換器工作時的ZVS波形圖。

圖11 ZVS與諧振電流波形

圖12給出了變換器工作時，使用EIE型電感、EI型電感的效率對比曲線。由圖可知，集成電感的使用提高了變換效率，EIE型電感器比EI型電感器效果更好，實驗結果驗證了理論和仿真分析的正確性。

圖12 效率曲線

4 結 論

通過對應用在雙向LLC諧振變換器諧振電感解耦磁集成的EIE型和EI型電感器的對比分析，得到EIE型電感器具有磁密、磁勢分布更加均勻，抗飽和能力強，電感因數大，渦流損耗小等優勢。最后，通過MAXWELL電磁軟件進行了仿真，并在一臺48～400 V/1kW的實驗樣機上進行了驗證，結果證實了本文提出EIE型電感器在雙向LLC諧振變換器中的應用，提高了變換器功率密度，提升了變換效率。