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低输出电流脉动的imttf变换器

南京航空航天大学

硕士学位论文

低输出电流脉动的IM-TTF变换器组织芯片

姓名：***

电工工具袋

申请学位级别：硕士

专业：电力系统及其自动化

指导教师：***

20090201

南京航空航天大学硕士学位论文

摘要

螺柱焊双管正激变换器（TTF变换器）因其结构简单、成本低、无桥臂直通问题以及控制较为方便等诸多优点

成为目前应用最普遍的变换器结构之一，尤其是在对变换器可靠性要求较高的航空航天电源、军用设备电源等应用场合得到了广泛应用。但双管正激变换器存在磁芯利用率不高，滤波电感体积大，输出电流脉动大等缺点。而磁集成技术具有可以减小磁件体积重量，减少磁件损耗，减小输出电流脉动等优点，为此本文引入磁集技术以解决双管正激变换器存在的以上问题。

论文利用双管正激变换器变压器两端的电压与滤波电感两端电压方向一致的特点，基于交流磁通正向耦合可减小输出电流脉动的思路，提出变压器与滤波电感的集成方案，导出磁集成双管正激变换器（IM-TTF变换器）。在分析IM-TTF变换器的工作状态的基础上得出了变换器各工作阶段的电流脉动，并指出IM-TTF变换器输出电流脉动波形共有5种可能性。针对5种电流脉动进行分析得出对应各种电流脉动的磁阻条件和最小输出电流脉动条件，并给出集成磁件设计依据。针对集成磁件多解化的特点，文章引入参数λ对集成磁件的体积以及输出电流脉动进行综合讨论以优化设计方案。论文的研究成果不但可以进一步提高变换器性能，而且其分析方法对于分析其他工作模式较复杂的磁集成变换器也有重要意义。

文章在最后部分完成了240V～300V输入、28.5V/30A输出以及36～75V输入、3.3V/20A 输出的2台TTF变换器以及对应2台TTF变换器的5种集成磁件的参数设计、硬件制作与实验验证。实验结果表明在∆i L_2=0情况下变换器输出电流脉动与应用分立磁件的TTF变换器相比下降了50%左右，而且还验证了占空比、绕组条件变化对输出电流脉动的影响。此外，该集成方案还能够有效的减小变换器磁性

元件体积，重量。

关键词：双管正激变换器，磁集成技术，集成磁件，输出电流脉动

输液恒温器

Abstract

Two-Transistor Forward Converter (TTFC) is one of the most generally used converters. It is widely adopted in some special fields, in which high reliability is required, such as of military equipments, aeronautics and astronautics, for its simple structure, low cost, no shoot-through problem and so on. However, traditional TTFC has some inherent drawbacks, such as lower utilization of magnetic core, large size of filter inductor and larger output ripple current. Magnetics-Integration Techniques (MIT), with the advantages of reducing volume, power loss of magnetic components and output ripple current, is used in the TTFC to resolve the above mentioned problems.

Since the voltage across the transformer winding and inductor winding have the same polarity, the ac flux excited by the transformer winding and inductor winding can be positively coupled to reduce the output current ripples, therefore, a TTFC with Integrated Magnetics (IM-TTFC) is proposed in this paper. Based on analyzing the operating model of the IM-TTFC, one attains the current ripples of different operating stages, and points out that it has five possibilities for the output current waveform.

Furthermore, the IM reluctance condition, the smallest output current ripple condition and the design basis of the IM is also obtained. A parameter λ is introduced to optimize IM design because the design results of IM have several possibilities, leading to reduced volume of the IM and output current ripple. The research outcome of this thesis can further improve the performance of the TTFC. The analysis method can also be extended to other IM converter which has more complex operation stages. Finally, two prototypes with 240~300V input, 28.5V/30A output and 36~75V input, 3.3V/20A output and five kinds of IM corresponds to the above TTFC are implemented and tested. The experimental results show that the output ripple current on the condition that ∆i L_2=0 has been dropped by 50% compared with TTFC. Furthermore, the results verify the impact of the duty cycle and the windings condition on output current ripple, as well as the reduction volume and weight of the magnetic components.

Keywords: Two-Transistor Forward converter, magnetic-integration technique, integrated- magnetics, output current ripple

图表目录

图1. 1 双管正激变换器 (1)

水源热泵系统

图1. 2两双正激变换器在输出电容侧并联的组合变换器 (3)偏瘫扶正丸

图1. 3 电容侧并联的组合变换器关键波形 (3)

图1. 4采用耦合电感的在输出电容侧并联的并-并型组合变换器 (4)

图1. 5在续流二极管侧并联的并-并型组合变换器 (5)

图1. 6带倍流整流电路的新型双管正激组合变换器 (6)

图1. 7串-并型双管正激组合变换器 (7)

图1. 8三种倍流整流磁集成电路 (8)

图1. 9不同集成方式的耦合电感 (9)

图1. 10两种集成方式对交变磁通的影响 (9)

图1. 11 磁集成有源箝位正激变换器 (10)

图2. 1 耦合电感及等效磁路 (12)

图2. 2 TTF变换器的原理图 (13)

图2. 3 标幺化的输出电感电流脉动与占空比的关系 (14)

图2. 4 IM-TTF变换器 (15)

图2. 5 三种集成磁件实现方法 (15)

图2. 6 绕组电压及磁柱1、3上交流磁通波形 (16)

图2. 7 变换器的工作状态及IM等效磁路 (18)

图2. 8 电感电流波形 (20)

图2. 9仿真电路 (22)

图2. 10仿真波形 (23)

图3. 1 第一阶段等效磁路 (29)

图3. 2 基于叠加原理的第一阶段等效磁路 (30)

图3. 3 IM等效电路 (34)

图4. 1电流脉动与λ的关系曲线 (37)

图4. 2IM-TTF变换器和DM-TTF变换器输出电流波形对比 (40)

图4. 3 DM-TTF变换器和IM-TTF变换器的效率对比 (41)

图4. 4原边侧电流对比 (42)

图4. 5 各磁件体积、重量对比 (44)

图4. 6 优化后集成磁芯尺寸 (44)

图4. 7 集成磁件与分立磁件实物图 (44)

图5. 1 采用同步整流的IM-TTF变换器 (46)

图5. 2 IM-TTF变换器和DM-TTF变换器输出电流波形对比 (50)

图5. 3 DM-TTF变换器和IM-TTF变换器的效率对比 (52)

图5. 4 原边侧电流对比 (53)

图5. 5占空比变化时的输出电流脉动 (54)

图5. 6 ∆i L_2=0对应集成磁件的输出电流脉动变化 (55)

南京航空航天大学硕士学位论文

图5. 7各磁件体积、重量对比 (56)

图5. 8优化后集成磁件规格 (56)

图5. 9 集成磁件与分立磁件实物图 (56)

表2. 1磁件各气隙数据 (22)

表3. 1 各类型电感电流脉动表达式 (29)

表3. 2 IM-TTF变换器各阶段交流磁通变化 (31)

表4. 1 λ对集成磁件各参数的影响 (38)

表4. 2各电流波形对应的IM气隙设计值及端口等效电感测量值 (38)

表4. 3 电流脉动理论值与实测值对比 (40)

表4. 4应用各种磁件的变换器的满载时的效率 (40)

表4. 5 原边电流脉动理论值与实测值对比 (43)

表4. 6 IM和DM对比 (43)

表5. 1 λ对集成磁件各参数的影响 (48)

表5. 2各电流脉动对应的气隙及端口电感值 (49)

表5. 3 理论值与实测值对比 (51)

表5. 4应用各种磁件的变换器的满载时的效率 (51)

表5. 5 原边电流脉动理论值与实测值对比 (53)

表5. 6磁阻及输出电流波形随输入电压的变化 (54)

表5. 7 IM和DM对比 (55)

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标签：电流磁件脉动集成

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