無源元件集成技術(shù)在多輸出AC/DC變換器中的應(yīng)用

溫志偉 鄧成

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1 引言

隨著科技進步的快速發(fā)展，近年來電力電子技術(shù)的提高，能源的安全、節(jié)能、環(huán)保、創(chuàng)新的利用問題成為了當今一大熱點。由于多輸出AC/DC諧振變換器拓撲具有軟開關(guān)、效率高、功率密度高等優(yōu)點[1]，在新能源方面具有很好的利用前景。對于光伏發(fā)電等大功率驅(qū)動電路而言，為了提供給負載符合相關(guān)諧波標準的電流，則需要通過功率因數(shù)校正來實現(xiàn)[2]。然而，如圖1所示，該多輸出AC/DC諧振變換器包括一個變壓器、一個諧振電容和六個電感等無源元件，顯然過多的分立元件會造成整體電路的體積大和重量重。

為了減小裝置體積，減少裝置制作成本，提高裝置效率，可以采用電磁功率集成技術(shù)來實現(xiàn)。電磁功率集成技術(shù)包括平面PCB集成技術(shù)和柔性多層帶材柔性多層帶材集成技術(shù)。前者通過將一層陶瓷電介質(zhì)薄膜插入兩層PCB繞組間；后者則在兩層導(dǎo)體薄膜間插入一層電介質(zhì)薄膜，電磁集成形成電感和電容[3]；其次，與平面PCB集成技術(shù)相比，柔性多層帶材集成技術(shù)具有較低的銅損，且適用于功率更高的場合[4]。在[5]中，柔性多層帶材集成技術(shù)用于集成兩個升壓電感和EMI濾波器，其尺寸減小了25%。 在文獻[6]中，將一個LLC轉(zhuǎn)換器中的一個變壓器，一個串聯(lián)諧振電容器和一個串聯(lián)諧振電感集成與一個集成單元中，它將體積減少了33%。 在[7]中，提出了一種基于柔性多層帶材集成的對稱LC濾波器的集成無源結(jié)構(gòu)，它可以將集成濾波器的體積減小至少20%。

基于柔性多層帶材集成技術(shù)，針對多輸出AC/DC諧振變換器，本文提出了一種的無源元件集成裝置，該集成裝置將一個變壓器、一個諧振電容、六個電感等多個無源元件集成至一組E-E-E型磁芯中。本文首先詳細介紹了集成裝置的物理結(jié)構(gòu)、組成方式以及電路連接；同時，還對各集成繞組的磁通進行了合理地分析；最后，為了驗證本文所提集成結(jié)構(gòu)的有效性和可行性，針對600W多輸出AC/DC諧振變換器，給出了主要電氣參數(shù)的設(shè)計方法及其計算結(jié)果。

2 集成裝置

如圖2所示，所提出的集成裝置由三個柔性帶材集成繞組組成，分別為集成繞組IW1、IW2和IW3。圖3為所提出的集成裝置的連接圖，其元件的布置如下所示：

（1）第1導(dǎo)體薄膜的輸入端和輸出端分別通過端子a和端子c連接到電路當中，構(gòu)成電感L1。與第1導(dǎo)體薄膜相同的方式，第2導(dǎo)體薄膜的輸入端和輸出端通過端子b和端子d連接到電路，構(gòu)成電感L2。

（2）第4導(dǎo)體薄膜的輸出端通過端子d連接到電路當中構(gòu)成變壓器T的原邊，同時，當?shù)?導(dǎo)體薄膜的輸入端懸空，第3導(dǎo)體薄膜的輸出端懸空、輸入端接入電路，第3導(dǎo)體薄膜和第4導(dǎo)體薄膜與第1電介質(zhì)薄膜構(gòu)成諧振電容Cs。

（3）當?shù)?導(dǎo)體薄膜的輸出端與第6導(dǎo)體薄膜的輸入端都通過端子y1接入電路，第5導(dǎo)體薄膜的輸入端和第6導(dǎo)體薄膜的輸出端分別通過端子x1和z1連接到電路，第5導(dǎo)體薄膜和第6導(dǎo)體薄膜構(gòu)成變壓器T的第一組副邊。按照同樣的方式，第7導(dǎo)體薄膜和第8導(dǎo)體薄膜構(gòu)成變壓器T的第二組副邊，第9導(dǎo)體薄膜和第10導(dǎo)體薄膜構(gòu)成變壓器T的第三組副邊。

（4）變壓器原邊的漏感用來構(gòu)成諧振電感Ls，電感Llk1、Llk2和Llk3分別由變壓器第一、二、三組副邊的漏感來形成。當漏感不能滿足設(shè)計要求時，副邊與原邊之間插入的漏感材料可以用來調(diào)節(jié)漏感的大小。

如圖4至圖6所示，由于氣隙lg2和lg3的存在，IW1產(chǎn)生的磁通不會通過第1E型磁芯的右邊柱以及第2E型磁芯和第3E型磁芯。同理，由于氣隙lg1和lg4的存在，IW2產(chǎn)生的磁通不會通過第1E型磁芯的左邊柱以及第2E型磁芯和第3E型磁芯。 集成繞組IW3產(chǎn)生的磁通不會通過第1E型磁芯，因為氣隙lg1和lg2的存在。所以，這三組磁通相互解耦，三個柔性帶材集成繞組可以分開設(shè)計。

3 參數(shù)設(shè)計

本文所設(shè)計集成裝置的工作條件如表1所示，所提集成裝置的設(shè)計步驟如圖7所示。

Step.1 集成繞組IW1和IW2的匝數(shù)NLi可由公式（1）得出：

式中，imax表示流過電感電流的最大值，Bsat表示飽和磁通密度，Ae_s表示磁芯邊柱的有效橫截面積。

圖1：多輸出AC/DC諧振變換器

圖2：集成裝置示意圖

圖3：集成裝置連接圖

圖4：繞組IW1磁通圖

圖5：繞組IW2磁通圖

圖6：繞組IW3磁通圖

Step.2 在集成繞組IW3中，變壓器原邊匝數(shù)可由公式（2）得出：

表1：集成裝置的工作條件

表2：集成裝置電氣參數(shù)計算值

圖7：集成裝置設(shè)計流程圖

然后，變壓器副邊匝數(shù)可由公式（3）得出：

式中，Vpri表示變壓器原邊電壓，Vsec表示變壓器副邊電壓，kV表示波形系數(shù)，fsw表示開關(guān)頻率。

Step.3 導(dǎo)體薄膜的厚度可由公式（4）得出：

式中，ks表示電流安全密度，取10A/mm2，hIW_i(i=1,2,3)為對應(yīng)繞組的繞組厚度。

Step.4 選擇的電介質(zhì)材料為聚丙烯，其介電常數(shù)εdie=3.5。電介質(zhì)的長度可以由公式（5）得出：

式中，ε0是空氣的介電常數(shù)，εdie，hdie和tdie分別表示指定電介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)，高度和厚度。

通過上述公式對參數(shù)的計算，將集成裝置電氣參數(shù)的計算值如表2所示。

4 結(jié)論

為了提高光伏發(fā)電廣泛使用的多輸出AC/DC諧振變換器功率密度，本文采用多層柔性帶材技術(shù)提出了一種無源元件集成單元，將一個變壓器，一個諧振電容和六個電感集成到E-E-E磁芯結(jié)構(gòu)中。本文首先詳細介紹了集成裝置的物理結(jié)構(gòu)和電路連接方式，并進行合理的磁通分析，為了驗證本文所提集成結(jié)構(gòu)的有效性和可行性，針對600W多輸出AC/DC諧振變換器，給出了主要電氣參數(shù)設(shè)計方法及其計算結(jié)果。