隔離型開關電感Zeta變換器磁集成研究

李洪珠，張 理，李洪璠，吳劍男

（1.遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105；2.三亞學院理工學院，三亞572022;3.葫蘆島供電公司，葫蘆島125105）

近幾年，化石能源短缺與環境污染問題日益加劇，光伏發電以其清潔、環保和成本低等優勢成為了當今世界可再生能源發電領域的研究熱點[1]。隨著光伏發電、電動汽車和燃料電池等新能源項目受到國家重視與資金支持，高增益直流變換器逐漸得到科研人員的廣泛研究和關注[2]。直流變換器中，非隔離DC/DC變換器因其電路結構簡單、成本較低而被廣泛應用[3-7]。文獻[4]提出采用耦合電感方案，實現較大的電壓增益；文獻[5]在Boost變換器中使用了開關電感單元，得到了較高的升壓能力，但其沒有達到電氣隔離的目的；文獻[6]將開關電感單元與交錯并聯技術相結合，應用到雙向直流變換器中，以實現高增益。但非隔離變換器存在電壓增益有限、損耗較大和無電氣隔離等缺點。

為了解決這些問題，本文在傳統非隔離型Zeta變換器的基礎上加入變壓器，并將Zeta變換器中的儲能電感用開關電感單元進行替換，同時利用磁集成技術將磁性器件進行集成，以實現較高電壓增益和增加電氣隔離、減小電感電流紋波、降低變換器體積等設計目的。最后利用PSIM仿真軟件對開關電感Zeta變換器進行仿真，并制作實驗樣機驗證理論分析的正確性。

1 集成開關電感隔離型Zeta變換器

1.1 變換器拓撲

磁集成開關電感隔離型Zeta變換器拓撲如圖1所示，該變換器由1個開關電感單元、2個儲能電容、1個變壓器、1個輸出電感、濾波電容及負載組成。用開關電感單元替換輸入電感，設L1=L2=L，正向耦合，互感為M1。變壓器T負責傳輸能量，N為變壓器變比。

1.2 變換器工作模態

該變換器可以分為2個工作模態，圖2為其主要工作波形。在分析其工作模態時，不考慮變壓器漏感并假設所有電路元件均為理想器件。

工作模態 1[0～DT]：如圖 3（a）所示，開關管 S導通，二極管D和D3承受反向電壓截止，D1和D2導通，電源通過開關管S、二極管D1和D2向并聯電感L1和L2充電，變壓器T原邊承受電壓為+Ui），副邊則向電容C2、電感L3和負載供電。

工作模態 2[DT～T]：如圖 3（b）所示，開關管 S關斷，二極管D和D3導通，二極管D1和D2反向截止，電感L1和L2通過D3串聯放電，變壓器副邊感應電流給電容C2充電，電感L3放電，給負載供電。

1.3 電流紋波分析

由式（1）得輸入電感電流紋波Δi1和輸出電感電流紋波Δi3可分別表示為

式中，D為變換器占空比。

由式（2）可得

根據伏秒積平衡，由式（3）和式（4）得到電壓增益為

式（5）表明，電壓增益比傳統的Zeta變換器提高了N（1+D）倍，且與耦合系數無關。

設k為耦合系數，則

結合式（3）可得，電感耦合情況下電感電流紋波為

Δi1、Δi3分別為輸入、輸出電感電流紋波，在電感大小和D一定的情況下，由式（7）可得，輸入電感電流紋波的大小與k成反比。當k=1，即L1與L2全耦合時，輸入電感電流紋波最小，為非耦合時的一半；而輸出電感電流紋波與非耦合時相同，沒有變化。

2 開關電感隔離型Zeta變換器磁集成

本文所提隔離型開關電感Zeta變換器含有3個電感和1個變壓器，對于磁件數目較多的變換器，對磁件進行磁集成就能達到減小變換器體積、提高效率和功率密度的目的[8]。在磁集成設計中，有耦合集成和解耦集成2種方式[9]。隔離型Zeta變換器，可先將變壓器原邊開關電感，再將耦合電感與變壓器進行解耦集成，具體結構如圖4所示。

集成磁件采用“EE”型磁芯結構，將耦合電感L1和L2分別分為2組匝數相同的串聯繞組和，并纏繞在磁芯的2個側柱上，變壓器繞組則纏繞在磁芯的中心磁柱上。磁芯左側柱和右側柱的電感L1和L2繞組進行正向耦合，電感繞組產生的磁通在磁芯中柱互相抵消，以此實現了和變壓器的解耦集成。

磁件的建模對變換器的分析與仿真設計具有重要意義。集成磁件的建模方法有多種，本文使用磁路—電路對偶變換方法進行建模。圖4的等效磁路和對偶磁路分別如圖5（a）和（b）所示，尺度變換后磁鏈與電流關系如圖5（c）所示，集成磁件等效電路如圖 5（d）所示。

根據電感和磁阻R之間的關系，可得到耦合電感繞組自感L及電感繞組間的互感M與相應磁路磁阻R的關系。

電感繞組的自感為

正向耦合電感間互感為

正向耦合系數為

由前文分析可知，正向耦合電感間的正向耦合系數越大，電流紋波越小，通過調整氣隙的磁阻來調節Rw，可以控制耦合電感間正向耦合系數k的值，從而調整輸入電感電流紋波的大小。

3 變換器仿真與實驗

本文使用PSIM仿真軟件并制作實驗樣機對傳統Zeta變換器和隔離型磁集成開關電感Zeta變換器的輸入電感電流及輸出電壓進行仿真與實驗。設置參數為占空比D=0.67，開關頻率為100 kHz，輸入電壓 Ui=5 V，電感 L1=L2=L3=10 μF，互感為 0.9，電容 C=50 μH，C1=C2=40 μH， 變壓器繞組 N1為 2匝，N2為4匝。手工制作的集成磁件如圖6所示。

根據圖 7（a）和（b）的仿真結果可以看出，隔離型開關電感Zeta變換器在磁集成與未磁集成情況下輸出電壓都是33 V，而傳統Zeta變換器輸出電壓為20 V。本文所提隔離型磁集成開關電感Zeta變換器電壓增益比傳統隔離型Zeta變換器提高了1.67倍，驗證了第1節提出的理論分析。

如圖 8（a）和（b）所示，傳統隔離型 Zeta 變換器輸入電感電流紋波為3.28 A，開關電感未集成時電感電流紋波為2.90 A。而隔離型磁集成開關電感Zeta變換器電感電流紋波為1.64 A，較其他2個電流紋波減小了一半，符合理論分析。

本文搭建圖9所示實驗電路對理論分析進行驗證。實驗測得磁集成隔離型開關電感Zeta變換器輸出電壓Uo=33 V,未耦合電感電流紋波iL1=3 A，耦合電感電流紋波iL1=1.4 A，如圖10所示。比較可知，當電感進行耦合集成后，其電感電流紋波比分立電感電流紋波減小一半，驗證了理論分析的正確性。

4 結論

本文提出一種帶開關電感單元的隔離型磁集成Zeta變換器，理論分析和實驗結果表明該變換器與傳統Zeta變換器相比具有以下特點：

（1）電壓增益得到很大提高。本文所提變換器的電壓增益較傳統Zeta直流變換器提高了N（1+D）倍；

（2）電感電流紋波減小。當開關電感進行耦合集成后，其電感電流紋波比分立電感電流紋波減小一半。

綜上所述，該變換器有著優良的工作性能，適用于光伏發電、燃料電池等需要高增益DC-DC變換器的并網系統。