耦合電感的剖析

9V2-mDC腫cBwck€o>wrterKit(TNDSDOC5sal)svIglobVollaloba2jVEel=3.3VmaIGtidIQULCTTHP電感分析：電感元件是電感線圈的理想化模型，用于反映電路中存儲磁場能量的物理現(xiàn)象。當(dāng)線圈中通過電流i(t)時，就會在線圈內(nèi)外產(chǎn)生磁通0 ，建立起磁場，(t)其中儲存有以磁場形式存在、由電能轉(zhuǎn)化而來的磁場能量。如果線圈的匝數(shù)為N,則與線圈交鏈的總磁通稱為磁鏈，記為9，有(t)9 =N0 ，對于電感而言，磁通和磁鏈均是流過線圈自身的電流i(t)產(chǎn)(t) (t)生的，所以成為自感磁通和自感磁鏈，簡稱為磁通和磁鏈，他們均是電流i(t)的函數(shù)。屮=L*i(t)(t)U(t)=-e(t)=dl^二竺仝d=Ldi(t)其中，U(t)是電感的端電壓，e(t)是dt dt dt感應(yīng)電動勢。一般電流和端電壓關(guān)聯(lián)，和感應(yīng)電動勢相反。上面解釋了，電感電流的躍變必然伴隨著電感儲能的躍變。電感儲能與電壓無關(guān)，和電流有關(guān)。耦合電感：電感僅僅考慮了流過一個線圈本身的時變電流所產(chǎn)生的磁通在自己內(nèi)部引起的感應(yīng)電壓即自感電壓。但是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，若兩個或多個線圈相互鄰近，則任一個線圈所載電流變化所產(chǎn)生的磁通，不僅能和自身交鏈，引起自感電壓，而且還會有一部分與鄰近的線圈交鏈，在該線圈上產(chǎn)生互感電壓。耦合電感與電感在開關(guān)電源中功能分析：對于電感，感值和匝數(shù)恒定，那么伏秒定則的含義是電感磁芯的磁通不變(或者是電流變化不變)。根據(jù)屮=N0，屮=L*i(t)，電感端電壓感應(yīng)電動勢 U(t)=-e(t)t (t) t二辿OlL^KL?？傻胾山二D0=二二》如t=t=AN0 ，由于電感匝dt dt L Ldt (t)數(shù)恒定，事實(shí)上是磁通變化量A0 恒定。(t)而在耦合電感中由于值存在原邊、副邊、互感，匝數(shù)有原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)，那么伏安關(guān)系變?yōu)榇磐ㄗ兓康暮愣?。耦合電?1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演進(jìn)文獻(xiàn)“非隔離三電平變換器中分壓電容均壓的一種方法2003.10中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)”中提出了三電平變換器分壓電容均壓的一種方法其中三電平BOOST型變換器具有開關(guān)管電壓應(yīng)力低，且可獲得三電平波形使得濾波元件的大小可大大減小。但是此變換器的變比沒有得到提升，且額外需要一路均壓控制電路。文獻(xiàn)“三電平變換器2006.09中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)”中提出了一種三電平雙向變換器，其中BOOST模式下具有開關(guān)管電壓應(yīng)力低，輸出濾波電感小，動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。在此型變換器中變比得到一倍的提高，但是中間電容均壓仍然需要一路均壓電路進(jìn)行控制，且需要4個開關(guān)管。文獻(xiàn)“一種新型交錯并聯(lián)雙向DC-DC變換器2013.04.25中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)”提出了一種新型交錯并聯(lián)雙向DC-DC，由于交錯并聯(lián)的存在，使得輸入輸出電流紋波減小、開關(guān)管電壓應(yīng)力減小、變換器電壓變比提高，且各相電感自動均流。在BOOST模式下不僅具有上述優(yōu)點(diǎn)，且其中存在的中間電容也不需要均壓控制電路便可自動均壓，但BOOST模式下需要4個開關(guān)管協(xié)同運(yùn)行，且電容處于中間，啟動階段調(diào)節(jié)時間較長。文獻(xiàn)“two-phaseinterleavedbidirectionalconverterinput-paralleloutput-seriesconnection2015.06ECCEAsia”提出了一中新型雙向變換器，其結(jié)合了三電平結(jié)構(gòu)和交錯并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，通過兩路電感交錯并聯(lián)運(yùn)行使得電感電流均流，電容電壓均壓（D<0.5時），輸出電流脈動大大降低，在BOOST模式下，利用兩個輸出電容串聯(lián)供電使得電壓等級提升，且由于分壓電容并聯(lián)于輸入端，動態(tài)響應(yīng)性能更快，也使得變比得到提升，且變換器僅需3個開關(guān)管協(xié)同工作，降低了開關(guān)損耗。本文針對文獻(xiàn)“two-phaseinterleavedbidirectionalconverterinput-paralleloutput-seriesconnection2015.06ECCEAsia”所提出的BOOST模式下的升壓變換器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分析，并提出了D>0.5時刻具有更高升壓比的交錯并聯(lián)BOOST變換器，并將新的（控制方法）引入到變換器中，最終設(shè)計(jì)閉環(huán)回路，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法。2變換器工作原理模態(tài)1模態(tài)1中：Q1Q2Q3:110，t1=（D-0.5）Ts。耦合電感M1M2的原邊對磁芯進(jìn)行勵磁，副邊均感應(yīng)電壓，無電流，負(fù)載由輸出電容C1、C2供電。耦合電感M1的原邊勵磁，M1中磁通增量為40=Vit1，副邊感應(yīng)+N1電壓為V=N2V/N1L2L1耦合電感M2的原邊勵磁，M2中磁通增量為40 =Vit1，副邊感（+） N1應(yīng)電壓為=N2V/N1L2L1模態(tài)2此模態(tài)下，開關(guān)管Q2關(guān)斷，則耦合電感M2原邊部分能量在瞬間轉(zhuǎn)移到副邊，再共同為輸出電容C2供電。耦合電感M1仍保持原邊勵磁，副邊感應(yīng)電壓。輸出電容C1、C2為負(fù)載供電。耦合電感M1的原邊勵磁，M1中磁通增量為40 =Vit2，副邊感（+） N1應(yīng)電壓為V=N2V/N1L2L1耦合電感M2的原副邊放電去磁，M2中磁通減量為40 =（-）（VC2-VI）t2N1+N2模態(tài)3模態(tài)3中：Q1Q2Q3:1 1 0，t3=（D-0.5）Ts耦合電感M1M2的原邊對磁芯進(jìn)行勵磁，副邊均感應(yīng)電壓，無電流，負(fù)載由輸出電容C1、C2供電。耦合電感M1的原邊勵磁，M1中磁通增量為40=Vit3，副邊感(+)N1應(yīng)電壓為=N2V/N1L2L1耦合電感M2的原邊勵磁，M2中磁通增量為40=Vit3，副邊感(+)N1應(yīng)電壓為=N2V/N1L2L1模態(tài)4模態(tài)4中：Q1Q2Q3：0 11.t4=(1-D)Ts此時耦合電感M1原邊部分能量瞬間轉(zhuǎn)移到副邊，再原副邊聯(lián)合向負(fù)載電容C2供電，電流流經(jīng)開關(guān)管Q3回到電源負(fù)極。耦合電感M1的原邊勵磁，副邊感應(yīng)電壓。耦合電感M1的原副邊放電去磁， M1中磁通減量為40 =（-）Vci-Vit4N1+N2耦合電感M2的原邊勵磁，M2中磁通增量為40 =沁，副邊電（+）N1壓為VL2=NVli分別整理兩個耦合電感中磁通增減量，列于等式兩邊，可得：M1：些=1-D（Vci-Vi）化簡可得VC1=1+噹=1+DN,注（匝比N二叫）N1 N1+N2 Vi 1-D1-D N1根據(jù)對偶原理，M2：Vc2=1+DNVI1-D由于Vo二Vc1+Vc2,則Vo=2（1+dn）。vi 1-d開關(guān)管電壓應(yīng)力分析四個模態(tài)中的各個開關(guān)管的電壓應(yīng)力，可得開關(guān)管S1的體二極管承受的最大電壓應(yīng)力為輸入電壓UI,其他的開關(guān)管S2、S3、S4的體二極管承受的最大電壓均為輸入電壓的一半即U!。與傳統(tǒng)的交錯2并聯(lián)buck變換器相比，此拓?fù)湎麻_關(guān)器件的電壓應(yīng)力得到降低。電流紋波傳統(tǒng)的交錯并聯(lián)buck變換器具有輸入、輸出紋波小的優(yōu)點(diǎn)，此新型拓?fù)渚哂泻蛡鹘y(tǒng)交錯并聯(lián)buck變換器相同的兩路電感，因此也具有輸入、輸出紋波小的優(yōu)點(diǎn)。此buck變換器在工作時，兩相處于交錯狀態(tài)，電感電流可相互得以抵消?？傻脝蜗噍敵鲭娏骷y波為

U（1-D）T△11=0…SL1而在D<0.5時總輸出電流紋波為△I2=Uo（1-D）TsL2由上式可得，此新型BOOST拓?fù)淇捎行Ы档洼斎胼敵鲭妷杭y波。電容均壓、電感均流效果分析首先分析D<0.5時此變換器的分壓電容均壓和兩路電感均流效果。此時，電容C1、C2分別為各自的電感L1、L2供電，但同時，C1、C2充電電流卻是相同的，由電源提供，且要求U+UC2=UI。C1C2那么同一周期模態(tài)1中C1充電量為C2放電量，而在模態(tài)3中C1放電量為C2充電量，故滿足安秒定則。在分壓電容均壓的情況下，電感電流將按照180度交錯均流。當(dāng)變換器工作于D>0.5時，存在直通的問題，故在設(shè)計(jì)驅(qū)動電路△I=U°（1-2D△I=U°（1-2D）TSL#include<stdio.h>#include<math.h>#include"GeneralSys.h"#define_DEBUG/*Commentitoutinyourreleaseversion*/interruptvoidTask();DefaultTypefGbliref=0.0;DefaultTypefGblUDELAY1=0;interruptvoidTask(){DefaultTypefVDC2,fG_ADC1,fG_ADC1_1,fG_ADC1_2,fG_ADC1_3,fG_ADC1_4,fG_ADC1_5,fG_ADC1_6;DefaultTypefG_ADC1_7,fZOH3,fSUM1,fP2,fSUMP3,fUDELAY1,fP1,fSUMP1,fP5,fVDC4;DefaultTypefSUM3;EnterTimerIntr(0);fUDELAY1=fGblUDELAY1;fVDC2=2;#ifdef_DEBUGfGbliref=fVDC2;#endifGeneralAdcRead0(0,&fG_ADC1,&fG_ADC1_1,&fG_ADC1_2,&fG_ADC1_3,&fG_ADC1_4,&fG_ADC1_5,&fG_ADC1_6,&fG_ADC1_7);fZOH3=fG_ADC1;fSUM1=fVDC2-fZOH3;fP2=fSUM1*(1000./20000);fSUMP3=fP2+fUDELAY1;fGblUDELAY1=fSUMP3;fP1=fSUM1*0.4;fSUMP1=fP1+fSUMP3;fP5=fSUMP1*(2.0/10);fVDC4=1;fSUM3=fP5-fVDC4;SetGeneralPwmUvw(0,fSUM3,0,0);ExitTimerIntr(0);}voidInitialize(void){InitSysTimer();GeneralAdcInit0(0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0);GeneralPwmInit(0,0,20000,(4e-6)*1E9);GeneralPwmIntrVector(0,fun_G_PWM1);SetGeneral