电感对DC_DC变换效率影响分析.pdf

第第 44 卷卷 第第 4 期期 2023 年年 8 月月Vol.44 No.4Aug.2023发电技术发电技术Power Generation Technology电感对DC/DC变换效率影响分析巫付专，李昊阳，巫曦，陈蒙娜（中原工学院电子信息学院，河南省 郑州市 451191）Influence of Inductance on DC/DC Conversion EfficiencyWU Fuzhuan,LI Haoyang,WU Xi,CHEN Mengna(School of Electronic and Information,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 451191,Henan Province,China)摘要摘要：针对电感对DC/DC变换性能影响的问题，以Boost变换器为例，对非理想情况下Boost变换等效电路和转换效率影响因素进行了分析，得到电感参数与电路输出电压、转换效率的关系。根据电感参数对电流纹波和电路转换效率影响的分析，在传统以临界连续电流为依据设计滤波电感值的基础上，提出了一种约束电感值选择范围的方法，并对KS226-075A磁芯的局部磁滞损耗和铜耗进行了计算，得到DC/DC变换器转换效率随电感值增大的变化趋势。最后，通过实验验证了理论的正确性和方法的可行性，同时根据实验结果修正了电感值的选取范围，并对计算结果与实验结果存在的误差进行了分析说明。关键词关键词：电力电子；DC/DC变换；转换效率；电感；局部磁滞损耗ABSTRACT:Aiming at the influence of inductance on DC/DC conversion performance,this paper took the Boost converter as an example to analyze the factors affecting the equivalent circuit and conversion efficiency of Boost converter under the non-ideal conditions,and obtained the relationship between inductance parameters and circuit output voltage and conversion efficiency.On the basis of analyzing the influence of inductance parameters on the current ripple and circuit efficiency,a method to limit the selection range of inductance value was proposed based on the traditional design of filter inductor considering the critical continuous current.The local hysteresis loss and copper loss of KS226-075A core were calculated,and the change trend of DC/DC converter conversion efficiency with the increase of inductance was obtained.Finally,the correctness of the theory and the feasibility of the method were verified by experiments.At the same time,the selection range of inductance was corrected according to the experimental results,and the error between the calculation and experimental results was analyzed and explained.KEY WORDS:power electronic;DC/DC conversion;conversion efficiency;inductance;local hysteresis loss0引言引言随着电网电力电子化的发展，DC/DC变换器也逐渐得到广泛应用，尤其在智能家居、电动汽车和小型分布式发电等领域，高效率、高功率密度、高可靠性的DC/DC变换器成为当前电力电子领域的研究热点1-7。由于近年来氮化镓材料在DC/DC电源中的广泛应用，其比传统开关功率器件具有更高的击穿电压、更小的体积和更低的导通阻抗，致使传统设计中开关器件的优化对效率提升效果已不再明显，此时变换器电感优化设计就显得愈发重要。文献8针对2路交错Boost变换器设计了耦合电感，通过优化电感结构设计，变换器峰值效率可以达到 96.5%。文献9通过对CLLC谐振变换器最大电感比的研究，减小了谐振电流和电路损耗，优化了变换器的运行效率。文献10-11对变换器的损耗进行了分析，并对电感损耗进行了估算，重点分析了变换器的导通损耗和开关损耗。文献12-14以临界连续电流为依据，对变换器电感值的选取进行了分析。文献15-17考虑电感值对变换器效率和体积的影响，通过耦合式电感减小了电感体积。文献18通过改变控制策略对移相全桥移相角和占空比进行校正，提升了变换器传输效率。然而，目前通过优DOI：10.12096/j.2096-4528.pgt.20107 中图分类号：TK 01;TM 133基金项目：国家自然科学基金重点项目(U1813201)；河南省科技攻关项目(172102210602)。Project Supported by Key Program of National Natural Science Foundation of China(U1813201);Key Scientific and Technological Project of Henan Province(172102210602).第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术化电感值选取提升变换器效率的相关研究较少。为此，本文以非理想Boost电路为例，分析电感值对电路转换效率的影响，并以KS226-075A磁芯为例进行损耗计算和实验，提出以转换效率为约束条件的电感值调整方法，其对需要提升转换效率的DC/DC变换器具有指导意义。1非理想非理想DC/DC变换器效率分析变换器效率分析对于非理想 DC/DC 变换器，无论是 Buck、Boost还是Buck-Boost，其等效过程与原理类似，在此仅以非理想Boost变换器为例进行分析。1.1非理想非理想Boost变换器等效电路变换器等效电路图1为忽略电容漏电流的非理想状态Boost变换电路，其中：Us为输入电压；Uo为输出电压；Io为输出电流；Rds为开关管等效电阻；UT为开关管导通压降；RD为续流二极管等效电阻；UD为续流二极管导通压降；RL为电感等效电阻；IL为电感电流有效值；Ic为电容电流；R为负载电阻。当开关管T导通时，电感电压(周期平均值)UL和电容电流(周期平均值)Ic可以分别表示为：UL=Us-ILRL-UT-ILRdsIc=-UoR(1)当开关管T关断时，UL和Ic可以分别表示为：UL=Us-ILRL-UD-ILRD-UoIc=IL-UoR(2)假设在一个开关周期Ts中，开关管开通的时间为Ton，则占空比D=Ton/Ts，根据伏秒特性和电荷平衡可得(Us-ILRL-UT-ILRds)DTs=(Us-ILRL-UD-ILRD-Uo)(1-D)Ts(3)根据电荷平衡可知IL=Uo/R(1-D)(4)联立式(3)、式(4)可得Uo=Us-DUT-(1-D)UD1-D11+1RRL(1-D)2+RD1-D+DRds(1-D)2(5)假设开关频率、负载基本不变，则开关管和二极管的损耗基本不变，忽略开关损耗与二极管导通可得Uo=Us1-D11+1(1-D)2RLR(6)由式(6)可见，Uo/Us值与占空比D、电感等效电阻RL有关，当占空比D保持不变时，若要获得较大的Uo/Us值，则要求电感等效电阻RL足够小。1.2非理想等效电路效率分析非理想等效电路效率分析1.2.1效率影响因素分析设Boost变换电路的输出功率为Pout，损耗的功率为Ploss，则其效率为=PoutPout+Ploss=1/(1+PlossPout)(7)在开关频率、负载基本不变时，忽略开关损耗与二极管导通，可得=U2oRUsIL=11+RL(1-D)2R(8)由式(8)可以绘制出不同RL/R下效率随占空比D的变化曲线，如图2所示。可以看出，为了获得高效率，电感等效电阻RL应远小于(1-D)2R。00.20.40.60.81.0D00.20.40.60.81.0RL/R=0.002RL/R=0.01RL/R=0.02RL/R=0.05RL/R=0.1RL/R=0.2图图2 不同不同RL/R下下随随D的变化曲线的变化曲线Fig.2 Variation curves of with D under different RL/RDUDRDLRLCRUsIoIcUoTRdsUTIL图图1 非理想状态非理想状态Boost变换电路变换电路Fig.1 Boost converter circuit under the non-ideal conditions577Vol.44 No.4巫付专等巫付专等：电感对电感对DC/DC变换效率影响分析变换效率影响分析对于正常工作的DC/DC变换系统，在额定工作状态下，占空比D变化不大，此时电感等效电阻RL对变换器效率的影响占主导地位。1.2.2电感线圈的损耗分析电感损耗PL主要包括由绕线引起的损耗(也称为铜耗PCu)和由磁芯引起的损耗(也称为铁耗PFe)，因此电感等效电阻可以分为铜耗产生的有效电阻RLdc和铁耗产生的有效电阻RLac。其中，铜耗又包括直流损耗、趋肤效应引起的损耗等。在电感设计时将导线多根并绕，以便满足趋肤深度要求，使得趋肤效应引起的损耗可以忽略不计，所以铜耗PCu可表示为PCu=I2RMSRLdc=(I2L+DI2L12)RLdc(9)式中IRMS和IL分别为电感电流iL的直流分量值和纹波。铁耗PFe主要包括磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe：PFe=Ph+Pe(10)Pe=KeB2mf2s(11)式中：Ke为涡流损耗系数，由磁芯的材料决定；Bm为最大磁通密度峰值；fs为系统开关频率。因此，涡流损耗主要与系统开关频率fs、最大磁通密度峰值Bm以及采用的材料有关。磁滞损耗如图 3(a)中 B 所示，主要与磁滞回线面积有关，但磁性材料选定后，其磁滞回线面积主要由通过电感线圈的电流波动引起，如图3(b)所示。在DC/DC变换中，电感线圈的电流波动大小由电感值L决定。磁滞回线的面积一般与磁通的变化量B的n次方成正比19，所以磁滞损耗Ph可以表示为Ph=fsVeHdB=KhfsVe(DB)n(12)式中：Ve为铁芯体积；H为磁场强度；Kh为磁滞损耗系数。从上述分析可知，铜耗、铁耗都与IL有关，而IL与电感值L存在如下关系：DIL=DUsLfs(13)当占空比D、输入电压Us和开关频率fs一定时，电感值L与IL成反比关系，所以适当增加电感值L可以减小IL，从而可以降低磁滞损耗，提高系统效率。但是增加电感值L会造成铁芯体积和匝数增加，从而使铜耗增加。电感值L与铁芯体积Ve、匝数N的关系如下：L=N2AL=N2Velc2(14)式中：AL为所选磁芯的电感因数；为铁芯磁导率；lc为磁路长度。导线铜耗有效电阻表示为RLdc=Nl1Ac(15)式中：为电阻率；l1为每匝导线长度；Ac为导线截面积。由式(15)可知，电阻RLdc与