一种三三阵列式磁耦合方法及最佳耦合度确定方法与流程

本发明属于电力电子
技术领域：
，涉及一种三三阵列式磁耦合方法，具体的涉及一种六通道交错并联dc-dc变换器的三三阵列式磁耦合方法，本发明还涉及一种最佳耦合度确定方法，具体的为一种六通道交错并联dc-dc变换器的最佳耦合度确定方法。
背景技术：
：磁集成技术在开关电源的设计和制造中得到广泛应用，文献《automotivedc-dcbidirectionalconvertermadewithmanyinterleavedbuckstages》对16相和36相交错并联双向dc/dc变换器的性能、电流纹波等进行了分析和对比，并实现16相与36相变换器主电感的磁集成，但并未对多相电路的等效电感进行准确计算；文献《investigationofmultiphasecoupled-inductorbuckconvertersinpoint-of-loadapplications》研究了两通道和三通道双向dc/dc变换器磁集成的实现，给出了计算等效电感的基本方法。文献《磁集成交错并联双向dc/dc变换器的设计准则》、《researchoncoupledinductorsformagneticintegrationinn-phaseinterleavedbuckconverter》、《acomprehensiveanalysisofcoupledinductorsin4phasesinterleavingbidirectionaldc/dcconverter》分别对两通道、三通道和四通道交错并联双向dc/dc变换器的等效电感计算方法及耦合度设计进行了详细的分析和阐述，给出实现各通道主电感磁集成最佳耦合度的设计准则。交错并联双向dc/dc变换器耦合电感的结构主要采用整体磁芯结构和阵列式磁芯结构两种。由于整体磁芯结构的各绕组之间是利用磁路实现磁通交链，从而达到相互耦合的目的，所以研究成果较多。而阵列式磁芯结构虽然可以使用现有简单结构磁芯，并且可以利用磁路和电路的结合来实现多通道变换器电感的耦合，但对此的研究却很少。综合所述，现有的针对多通道dc/dc变换器的研究大多集中在两通道和四通道，且其耦合电感多采用发热问题难以解决的整体结构磁心设计。由于六相dc/dc变换器有12种工作模态，分析复杂，难以控制；并且六相主电感的耦合设计难度系数极高，不仅要兼顾系统的动态性能和静态性能指标，还要考虑经济性，实用性，推广性及扩展性等问题，因此目前没有成熟的六通道交错并联dc-dc变换器的磁耦合方法。技术实现要素：本发明的目的是提供一种三三阵列式磁耦合方法，适用于六通道交错并联dc-dc变换器中，使得其具有良好的动态响应特性。本发明还提供了一种最佳耦合度确定方法，能够得到耦合后六通道交错并联dc-dc变换器中的最佳耦合度。本发明所采用的第一种技术方案是，一种三三阵列式磁耦合方法，将六通道交错并联dc-dc变换器的第一通道、第三通道和第五通道耦合为第一耦合组，将第二通道、第四通道和第六通道耦合为第二耦合组。本发明所采用的另一种技术方案是，一种最佳耦合度计算方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：步骤1，根据六通道交错并联dc-dc变换器中的电感计算六通道交错并联dc-dc变换器中每个通道主电感的耦合度；步骤2，计算三三耦合方式下六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下每个工作模态的等效电感；步骤3，计算六通道交错并联dc-dc变换器在的每个通道在不同占空比下的等效稳态电感和等效暂态电感；步骤4，根据六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下的等效稳态电感、等效暂态电感和六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下耦合状态和非耦合状态下的稳态相电流纹波，得到六通道交错并联dc-dc变换器的最佳耦合度。本发明另一种技术方案的特点还在于：步骤1中具体按照下述方法计算六通道交错并联dc-dc变换器的每个通道主电感的耦合度：步骤1.1，将六通道交错并联dc-dc变换器的耦合电感采用单元磁芯组合的阵列式耦合电感方法分布，得到六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列：其中，其中mij表示有第i通道和第j三通道的耦合的磁芯单元电感，lii表示第i通道耦合得到的磁芯单元电感，i＝1,2...,5,6，j＝1,2...,5,6；步骤1.2，根据六通道交错并联dc-dc变换器的耦合电感分布阵列和电感串联原理，得六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感的互感mij为：其中，mij为六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列的非主对角线磁芯电感，λ为实现电感和耦合单元的个数；六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感的自感li为：其中，lii为li的单元漏感，即六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列主对角线磁芯电感，n表示通道的个数；步骤1.3，根据所述六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列和六通道交错并联dc-dc变换器的耦合方式，得到六通道交错并联dc-dc变换器中每个通道主电感的耦合度k：其中，nm为mij的匝数，rm为mij的磁阻，nl表示lii的匝数，rl表示lii的磁阻，α表示lii与mij的匝数比，β表示lii与mij的磁阻比。步骤2中根据下述步骤计算六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下每个工作模态的等效电感:步骤2.1，六通道交错并联dc-dc变换器中六个主电感的自感值相等，六通道主电感之间的互感也相同，根据耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器电路原理，得到六通道电感绕组三三耦合时的电压方程为：其中，l表示每个通道的主电感的自感值，m表示六个通道的主电感的互感值；步骤2.2，根据六通道交错并联dc-dc变换器在不同的占空比时，每个通道的主电感以及输出电流的波形，得到六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比时的电压矩阵方程：步骤2.3，根据所述六通道电感绕组三三耦合时的电压方程和六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比时的电压矩阵方程分别计算六通道交错并联dc-dc变换器的六个通道在不同的占空比下的每个工作模态的等效电感。步骤3中根据下述步骤计算六通道交错并联dc-dc变换器的每个通道在不同占空比下的等效稳态电感和等效暂态电感：步骤3.1，根据六通道交错并联dc-dc变换器的六个通道在不同的占空比下的每个工作模态的等效电感计算六通道交错并联dc-dc变换器的每个通道在不同占空比下的稳态相电流纹波；步骤3.2，计算六通道交错并联dc-dc变换器的每个通道在不同占空比下的等效稳态电感和等效暂态电感；步骤3.1具体按照下述方法计算六通道交错并联dc-dc变换器的每个通道在不同占空比下的稳态相电流纹波：步骤a，根据计算得到的变换器各模态下等效电感，分别绘制三三耦合方式下各通道的电流波形及各模态等效电感；步骤b，分段计算每个通道的一个开关周期内的电流；步骤c，分别计算在一个开关周期内，每个通道在不同占空比下的十二个工作模态分别对应的时间；步骤d，根据每个通道的一个开关周期内的电流和一个开关周期内每个通道在不同占空比下的十二个工作模态分别对应的时间,得到对应通道的稳态电流；步骤e，进一步根据六通道dc/dc变换器每个通道在不同占空比下的电流波形及各模态的等效电感，得到六通道dc/dc变换器每个通道的稳态电流纹波。本发明的有益效果是一种三三阵列式磁耦合方法，适用于六通道交错并联dc-dc变换器，解决了复杂多通道dc-dc变换器耦合电感难以设计、发热问题难以解决的问题，能够使其在具有良好的动态响应特性的同时，单通道的电流纹波、总电流输出纹波以及总电压输出纹波也得到显著降低；一种三三阵列式磁耦合方法,电路对称性好，而且主电感分成两组，在轻载情况下可按照负载的变化切掉任意一组；一种最佳耦合度计算方法，能够得到六通道交错并联dc-dc变换器中的最佳耦合度。附图说明图1是六通道交错并联dc-dc变换器的电路图；图2是耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感矩阵结构示意图；图3是耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器，在占空比0<d<1/6在时的电感电流及输出电流波形图；图4是稳态运行状态下负载突增时耦合情况与非耦合情况的电流动态响应图；图5是耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为0<d<1/3时的归一化等效稳态电感的波形图；图6耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为1/3<d<2/3时的归一化等效稳态电感的波形图；图7耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为2/3<d<1时的归一化等效稳态电感的波形图；图8是耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为0<d<1/3时归一化等效稳态与暂态电感差值的波形图；图9是耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为1/3<d<2/3时归一化等效稳态与暂态电感差值的波形图；图10耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为2/3<d<1时归一化等效稳态与暂态电感差值的波形图；图11是三三耦合与非耦合情况下的相电流纹波对比图；图12是耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器的总输出电流波形图；图13是非耦合情况下六通道交错并联dc-dc变换器的总输出电流波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。一种磁耦合方法，如图1所示，将六通道交错并联dc-dc变换器的第一通道、第三通道和第五通道耦合为第一耦合组，将第二通道、第四通道和第六通道耦合为第二耦合组，并将六个主电感集成为两个电感。第一组三相之间的互感为m13、m35、m51，第二组三相之间的互感为m24、m46、m62。一种最佳耦合度确定方法，具体按照下述步骤进行：步骤1，根据六通道交错并联dc-dc变换器中的电感计算六通道交错并联dc-dc变换器中每个通道主电感的耦合度，具体按照下述方法进行：步骤1.1，将六通道交错并联dc-dc变换器的耦合电感采用单元磁芯组合的阵列式耦合电感方法分布，得到六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列：其中，其中mij表示有第i通道和第j三通道的耦合的磁芯单元电感，lii表示第i通道耦合得到的磁芯单元电感，i＝1,2...,5,6，j＝1,2...,5,6；步骤1.2，根据六通道交错并联dc-dc变换器的耦合电感分布阵列和电感串联原理，得到六通道交错并联dc-dc变换器中每个通道的耦合电感可视为由许多小电感mij串联而成，则六通道交错并联dc-dc变换器中每个通道的耦合电感mij为：其中，mij为六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列的非主对角线磁芯电感，λ为实现第i通道主电感和第j通道主电感耦合单元的个数；六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感的自感li为：其中，lii为li的单元漏感，即六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列主对角线磁芯电感，n表示通道的个数；步骤1.3，根据式1的六通道交错并联dc-dc变换器耦合电感分布阵列和六通道交错并联dc-dc变换器的耦合方式，绘制如图2所示的耦合电感矩阵结构示意图；如图2所示，第一通道电感l1由l11、m13、m31、m15和m51组成，则第一通道的磁芯单元电感的耦合度为：其中，nm为mij的匝数，rm为mij的磁阻，nl表示lii的匝数，rl表示lii的磁阻，α表示lii与mij的匝数比，β表示lii与mij的磁阻比；同理得到第二通道电感的耦合度为：第三通道电感的耦合度为：第四通道电感的耦合度为：第五通道电感的耦合度为：第六通道的磁芯单元电感的耦合度为：根据式(10)(11)、(12)、(13)、(14)和(15)得到：步骤2，计算六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下每个工作模态的等效电感；其中，六通道交错并联dc-dc变换器每个工作模态的等效电感具体按照下述方法计算：步骤2.1，六通道交错并联dc-dc变换器中主电感的自感值相等，即l1＝l2＝l3＝l4＝l5＝l6＝l，六通道主电感之间的互感也相同，m1＝m2＝m3＝m4＝m5＝m6＝m,根据耦合后的六通道交错并联dc-dc变换器电路原理，得到六通道电感绕组三三耦合时的电压方程为：其中，l表示每个通道的主电感的自感值，m表示六个通道的主电感的互感值；vi表示第i通道的主电感的绕组的电压；dii/dtdii/dt-di6/dt表示第i通道的主电感的绕组的电流变换率；令则：其中，步骤2.2，绘制六通道交错并联dc-dc变换器在不同的占空比时六个通道的电感电流及输出电流波形图，如图3所示，为三三耦合方式下六通道交错并联dc-dc变换器在占空比0<d<1/6时六个通道的电感电流及输出电流波形；由图3能够得出：va·d+vb·(1-d)＝0(18)式中：va和vb分别代表输出电压正向幅值和反向幅值。模态一阶段只有开关管s2导通，此时电感l1上的电压v1＝va＝vsc(19)式中：vsc为变换器低压侧电压；v2＝v3＝v4＝v5＝v6＝vb＝vsc-vbat(20)式中：vbat为变换器高压侧电压；结合式(18)(19)和(20)，得到六通道电感绕组三三耦合时的电压方程为：步骤2.3，根据式(5)(16)(17)和式(6)能够得出：令由此可得模态一的等效电感为：同理分别计算通道一在其他十一个工作模态下的等效电感，并分别绘制六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为1/6<d<1/3、1/3<d<1/2、1/2<d<2/3、2/3<d<5/6、5/6<d<1时六个通道的电感电流及输出电流波形图，按照与占空比0<d<1/6时同样的计算原理，计算得到六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为1/6<d<1/3、1/3<d<1/2、1/2<d<2/3、2/3<d<5/6、5/6<d<1时每个工作模态的等效电感，如表1所示。表1三三耦合方式下1—6通道等效电感步骤3，六通道三三耦合方式的等效稳态电感和等效暂态电感的分析计算；其中，六通道三三耦合方式的等效稳态电感和等效暂态电感具体按照下述方法计算：步骤3.1，计算六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下，等效稳态电感及通道稳态电流纹波。根据计算得到的通道1各模态下等效电感，画出三三耦合方式下通道1的电流i1的波形及各模态等效电感如图4所示。变换器处于稳态时，电流i1在一个开关周期内的增量和应为0，分段计算通道1的一个开关周期内的电流i1为：查询表1可知，当占空比为0<d<1/6时，得到同时，在一个开关周期内，通道1的12个工作模态的时间分别为：t1＝t3＝t5＝t7＝t9＝t11＝d·ts(23)t2+t4+t6+t8+t10+t12＝(1-6d)·ts(24)其中，ts为第一通道的一个开关周期；由式(7)、(23)、(24)及表1推导得到电流i1各段之和的表达式为：由式(25)可以看出，电流i1在一个开关周期内的增量和为0，这说明，电流i1是变换器通道1的稳态电流。由图4求得到六通道dc/dc变换器在占空比为0<d<1/6时通道1的稳态电流纹波为：其中，fs为变换器的开关频率。非耦合情况下通道1的稳态电流纹波可表示为：式中：ldis为变换器的开关频率非耦合状态下电感值由式(26)和(27)可知，leq1和ldis分别相当于三三耦合与非耦合情况下的等效稳态电感。同理，根据六通道交错并联dc-dc变换器在占空比为1/6<d<1/3、1/3<d<1/2、1/2<d<2/3、2/3<d<5/6、5/6<d<1时通道1电流i1的波形及各模态等效电感，计算得到不同占空比时的稳态电流纹波，最终结算结果如表2所示，其他5个通道的计算结果与通道1的计算结果相同。表2不同占空比时的稳态电流纹波根据表2计算结果，得到六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比时的等效稳态电感lss，如表3所示：表3六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比时的等效稳态电感lss步骤3.2，计算六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下，等效暂态电感及通道电流响应速度。变换器稳定运行时，负载突然增大后，使占空比增加了δd，由图4中电流的变化情况可知，暂态电流只在(t0,t1)、(t6,t7)和(t12,t13)三个阶段有增量，分别为：由此，计算可得通道1电流暂态增量δi1为：并由此可得通道1的电流响应速度为同理由图4可知，在非耦合情况下，占空比增加δd后，通道1暂态电流的增量δi1′为：并得非耦合时的电流响应速度为：由式(31)可知，当0<d<1/6时，三三耦合情况下的等效暂态电感ltr为：ltr(0＜d＜1/6)＝leq2＝l(1+2k)(35)同理可获得占空比d在其他5个区间等效暂态电感，计算结果如表4所示。表4六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比时的等效稳态电感ltr占空比d取值范围等效稳态电感ltr0<d<1/6ltr(0＜d＜1/6)＝leq2＝l(1+2k)1/6<d<1/3ltr(1/6＜d＜1/3)＝leq4＝l(1+2k)1/3<d<1/2ltr(1/3＜d＜1/2)＝leq5＝l(1+2k)1/2<d<2/3ltr(1/2＜d＜2/3)＝leq5＝l(1+2k)2/3<d<5/6ltr(2/3＜d＜5/6)＝leq1＝l(1+2k)5/6<d<1ltr(5/6＜d＜1)＝leq1＝l(1+2k)步骤4，根据六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下的等效稳态电感、等效暂态电感，以及六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下，耦合状态和非耦合状态下的稳态相电流纹波，得到六通道交错并联dc-dc变换器的最佳耦合度，具体按照下述方法进行：计算六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下，耦合与非耦合状态下的稳态相电流纹波之比：定义leq/l为归一化等效电感，定义δleq/l为归一化等效稳态电感与暂态电感差值，即δleq＝lss-ltr。根据式(36)和六通道交错并联dc-dc变换器在不同占空比下的等效稳态电感和等效暂态电感，绘制出当0<d<1/3、1/3<d<2/3和2/3<d<1情况下归一化等效电感leq/l随耦合系数k和占空比d变化的曲线以及归一化等效电感差值δleq/l随耦合系数k和占空比d变化的曲线，分别如图5、图6、图7、图8、图9和图10所示。分析可知，在占空比0<d<1/3时，耦合度范围为0.25-0.45；在占空比为1/3<d<2/3，耦合度范围为0.3-0.5；在占空比为2/3<d<1，耦合度范围为0.25-0.45。因此，六通道交错并联dc-dc变换器的最佳耦合度为：仿真验证试验稳态相电流纹波的实验比较：用saber软件建立六通道磁集成交错并联双向dc/dc变换器的仿真模型，并设置三三耦合时的参数为：lss＝4.4uh，ltr＝3.6uh，k＝-0.25，非耦合时的自感值l＝3.6uh。将六通道交错并联dc-dc变换器耦合前和耦合后分别进行仿真获得如图11所示的单相电感电流波形。由图11所示的耦合与非耦合情况下的相电流波形对比可以看出，三三耦合时的输出稳态相电流纹波为1.7396a，而非耦合情况下输出稳态相电流纹波为11.901a，故而采用耦合电感时电流纹波明显减小。暂态相电流响应速度的仿真比较：负载突变时，耦合与非耦合情况下的动态响应仿真结果如图12和图13所示，对比可以看出，采用耦合电感时的动态响应速度优于非耦合的情况。当前第1页12