,可以算出电感电流之和ˆ对控制量ˆ的传递函数为。ˆˆˆ同理,可根据反向耦合磁集成电感的等效电路模型及开关网络的小信号等效电路,可以建立本文所设计电路结构的小信号等效电路如下图所示。ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ图反向耦合电感的交错并联小信号等效电路同样由上图可以进行域电路计算,由基尔霍夫定律可得出以下计算式。ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ此处,式中所示的采用分立电感时的关系仍能满足。经过化简则可以得出控制ˆ对输出电压ˆ的传递函数如下式。ˆˆˆ同理,计算得到控制ˆ到输入电感电流之和ˆ的传递函数为。ˆˆˆ分别比较式与式可知,两种电感结构构成电路的控制到输出电压传递函数是相同的,则采用反向耦合的磁集成电感对输出电压控制环路不造成影响,比较式与式知,磁集成对电感电流控制环路有影响,等效电感为。在保证及两种情况电感电流纹波相同前提下进行瞬态响应的比较分析,即选择自感值为,电感为,输出滤波电容为。由式及式计算得及两种电感在两相交错并联变换器中占空比到输入电流的传递函数分别表示为。在中利用进行仿真,并绘出其开环阶跃效应曲线如图所示。阶跃响应阶跃响应图占空比到输入电流阶跃响应曲线由图可知,在保证电感电流纹波相同的情况下,采用耦合系数为的耦合电感变换器获得比分立电感变换器更优越的瞬态响应效果。磁集成电感结构对其性能影响的研究磁集成电感是本课题的关键,对整个设计起到举足轻重的作用,然而电感又是个多耦合的器件,设计时需要考虑多方面的因素,如磁芯结构磁通密度气隙等等,需要进行详细的磁路分析。磁芯结构对磁集成电感性能影响铁氧体材料的磁芯高频损耗小,在高频设计时是很好的选择,但是它的饱和磁密较低,使用时应该十分注意。另外,虽然耦合电感与分立电感在交错并联变换器中的电路工作原理及开关管控制时序上类似,但其中的磁性元件的设计是十分迥异的。要得到磁集成电感在数量上的计算及相互间的关系,需要对其进行直流磁路分析,如图所示。图磁集成电感结构及磁路等效模型由安培环路定律及磁通连续性定律有。因此,可以分别得出两侧柱上的直流磁通量为,于是,由上式进步可以求得绕组两端电压值。在对称结构中,,将上式与式进行比较可得到各电感值与磁路中磁阻的对应关系如式所示。对于带气隙的电感器,其磁阻主要集中在气隙中,为了对其进行合理设计,气隙大小是个很重要的参数,上式给出了自感互感及耦合系数与磁阻之间的关系,再加上磁芯结构尺寸就可以满足设计要求,于是将上式进行变形得。最终,期望得到的是每个磁柱上的磁通量大小,于是假设两侧柱上通以相同大小的电流,将式中各变量用其直流平均量表示。图磁集成演变过程由图可以看出,左边的集成磁件两个绕组在磁路上有耦合的作用,而右边的集成磁件只是磁芯的合体,两绕组之间磁路关系互不影响。由于集成方式的灵活性,使得磁集成变换器形式及研究方法也很丰富。磁集成电感应用在交错并联变换器中,结构如图所示。图磁集成交错并联变换器结构图图中结构实现了并联的相与相之间通过磁性元件的集成,使其在功能上具有定的耦合作用,并能减小磁性元件的体积重量,通过分析还知此方法能在电流纹波及其变换器瞬态响应速度上取得平衡。辽宁工程大学的杨玉岗教授所带团队在将磁集成技术应用在交错并联变换器中做了大量的研究工作。研究分析了交错并联变换器中集成磁件的耦合度对变换器性能带来的影响还研究如何利用耦合电感来削减磁芯的直流偏磁以减小磁芯损耗和增大磁芯利用范围以及平面磁集成元件的应用磁集成交错并联本质安全特性等等,对集成磁件的变换器的环路控制方面也做了相应研究,得出了许多重要成果。集成磁件的构造技术及应用类似于电路中的电流,磁通是磁路中非常重要的量,它在磁路中流动使磁件有了磁特性。磁集成元件,顾名思义,是将多个磁件在磁路上进行合理设计使其集成在同个磁芯上,并且由于磁路关系使得不同绕组的交变磁通相互关联,因此要求磁芯具有多条磁路。按其获得多磁路的构造方法不同可分为改变磁芯结构和不改变磁芯结构两种。前者为对磁芯进行人为改造,将不同结构的磁芯通过合并组合得到多个分支,后者为对磁芯的制作上进行处理,选用那些本身就具有多磁路的磁芯进行设计。关于多磁路的获得,较早提出了导磁材料与磁芯进行组合的方法。其中,调节磁导体与磁芯中间的气隙不仅可以改变集成磁件的磁通分布,还能借此来控制磁集成变压器的漏感,由于漏感会对变换器开关管的开关过程有较大的影响,会引起续流极管反向恢复时的电压尖峰问题等,于是能实现更好的参数设计。另外,在磁集成应用中,按照参与耦合的磁通属性及应用环境的不同,可以分为变压器与电感的集成其磁通为交流与直流耦合电感与电感集成磁通为交流与交流耦合等方式。年,提出在变换器中引入耦合电感,与极管组成附加支路,以解决极管反向恢复问题,并实现主开关管的,提高变换器的效率。另种应用是集成的两个电感两端电压相差个相位,多用于交错并联变换器中。因为电压相位的交错使得绕组匝链的交变磁通也交错个相位,于是必须采取多磁路的磁芯。按照磁路集成后磁通的耦合关系将此类集成方式又分为正向耦合和反向耦合,如图所示。正向耦合反向耦合图磁集成电感耦合方式正向耦合中,绕组和绕组产生的磁通在边柱上的方向相同,表现为磁通增强,在磁芯中柱上产生的磁通方向相反,表现为磁通减弱反向耦合中,与绕组产生的磁通在边柱上的方向相反,表现为磁通减弱,在中柱上产生的磁通方向相同,表现为增强作用。在实际应用中,应根据需求进行合理的设计,以获得最优的集成效果。主要研究内容本课题研究设计基于磁集成电感的交错并联变换器,应用在直流微电网系统中进行电能转换,主要研究内容如下交错并联系统结构设计设计分析课题设计要求,设计交错并联变换器系统结构,详细分析其工作原理,得到不同开关状态下电路参数关系,对电感电流纹波进行分析。根据电路原理进行及驱动电路选型,在满足纹波要求下进行电感参数设计。磁集成电感交错并联建模与电感性能研究对应用磁集成电感的交错并联变换器进行原理分析,计算其各阶段等效稳态电感,并依此进行电流纹波分析与计算。分析磁集成电感瞬态等效模型,并建立磁集成电感的变换器小信号模型,在中进行阶跃响应仿真,并与分立电感结构进行对比。研究磁芯结构对电感性能的影响,分析电感磁芯损耗及绕组损耗产生机理及降低方法,并在中进行电磁仿真,为电感设计与制作提供指导。磁集成交错并联样机设计设计满足参数要求的磁集成电感,借助进行电感量磁通密度等仿真,制作磁集成电感并进行相关参数测量。设计基于主控芯片的控制电路,并设计软件控制流程。磁集成交错并联变换器仿真与实验分析根据前面章节所设计参数,在中进行变换器闭环仿真,使用语言编程进行辅助控制,对磁集成电感与分立电感的交错并联变换器在电流纹波及瞬态响应速度进行对比分析。进行各种工作条件下的稳态与瞬态实验,对实验结果波形及数据进行详细分析。第章交错并联系统结构与参数设计本课题所设计的变换器应用在直流微电网系统中,输入为直流母线,作为相并网逆变器的前级升压部分,如图所示。要求其在满足电流纹波的前提下能实现不同负载条件下的快速响应。控制单元图直流微电网系统图对提出的参数要求如表所示。表变换器规格指标输入电压最大输入电流输出电压最大输出电流输出电流纹波时,两相开关管之间有重叠的导通状态,其工作过程与占空比阶段如图所示,此阶段开关管导通,关断状态,电感处于充电状态,电流上升电感处于放电状态,电流下降,电源通过其向输出滤波电容充电,并向负载供电,此时电路中电压电流关系由式表示。阶段如图所示,此阶段与阶段相同,开关管和均导通,电感处于充电状态,电流上升,电容放电维持输出电压,电路中电压电流关系可由式所示。图交错并联工作阶段和阶段阶段如图所示,此阶段与阶段类似,开关管导通,处于充电状态,电流上升关断,电感电流下降,电源通过其向输出滤波电容充电,并向负载供电。电路中电压电流关系如式所示。同样由稳定状态下电感伏秒数平衡得出输入输出电压关系与式相同,与占空比大小无关,绘出主要电路波形如图所示。图交错并联工作波形图电感电流纹波为期间电流变换量,与式相同,同理可得输入电流纹波由式表示。电流纹波分析由图及图可以看出,单相电感上电流纹波较大,变化频