一种适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器及其参数确认方法与流程

1.本发明涉及电感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器及其参数确认方法。


背景技术：

2.近年来，为提高双向直直变换器绝对功率和功率密度，功率元件向高电压、大电流方向发展，其工作频率逐渐降低，这导致磁性元件，尤其是系统中的电感器的体积逐步增大，系统设计难度增加。为降低双向直直变换器的电感器的体积和系统设计难度，可以采用双向直直变换器多相并联运行的方法。但是随着并联相数的增加，电感器体积成倍增大、功率密度反而降低。而体积较小的共磁路多相电感器存在并联支路之间电流不平衡导致系统效率下降，甚至变换失效等问题。
3.现有多相并联双向直直变换器采用多个独立的电感器的方案，如图1所示，双向直直变换器每一相对应一个独立的电感器，由图1可以看出，每一相电感器存在独立的磁芯，磁通没有共享回路。因此该技术不足缺点在于多路电感器的整体体积大、功率密度低、磁芯损耗高。
4.现有多相并联双向直直变换器也有采用多组两相耦合电感器，如图2所示。该结构将两个独立的电感器组合成一个耦合电感器，与独立的电感器相比，可以通过适当的调制，实现部分磁通相互抵消，从而减小电感器整体体积。由图2可以看出，两相耦合电感器之间存在磁通共享回路，因此耦合电感器之间存在互感，这导致电感器出现电流不平衡、系统损耗增加，严重者影响双向直直变换器的性能。


技术实现要素：

5.为了降低多相并联运行双向直直变换器中电感器的体积，提高电感器功率密度，降低多相并联运行双向直直变换器的电感器中电流不平衡度，提高多项并联运行直直变换器的性能，本发明提供一种适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器及其参数确认方法。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器，包括：由多个铁磁芯和绕制在铁磁芯上的多个线圈组成的多路电感器的矩阵式结构，多路电感器共用磁路，任意一相电感与其相邻两相电感之间的空间夹角相等，且任意一相电感的参数与其余任意一相的参数完全一致。
8.进一步地，各路所述铁磁芯的最外侧中心点顶点构成一个正多边形结构。
9.本发明还提供了一种基于上述适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器的参数确认方法，包括：
10.s1、根据安装位置、空间尺寸和电气性能要求，确定所述矩阵电感器的铁磁芯尺寸
和并联相数；
11.s2、计算所述矩阵电感器中每相电感器的电感最小值l
min
；
12.s3、搭建所述矩阵电感器的仿真模型，仿真模型中包括所述矩阵电感器的结构参数：线圈匝数n、气隙大小h以及气隙位置d；
13.s4、运行仿真模型，设置气隙大小h和气隙位置d为任意初值，计算线圈匝数n
min
；
14.s5、根据步骤s4计算得到的线圈匝数n
min
，设置气隙大小h为相应值(步骤s41中的初值或调整值)，计算气隙位置d与耦合系数k的关系曲线，选择d的取值使耦合系数k小于0.05；
15.s6、根据步骤s4获得的n
min
和步骤s5获得的d的数值，计算计算气隙大小h与耦合系数k的关系曲线，选择h的取值使耦合系数k小于0.05；；
16.s7、根据步骤s4计算得到的线圈匝数n
min
、步骤s5计算得到的气隙大小d和步骤s6计算得到的气隙大小h，校核电感值l；
17.s8、根据步骤s7获得的电感值l，判断是否大于电感最小值l
min
，若电感值l小于电感最小值l
min
，则调整线圈匝数n、气隙位置d、气隙大小h，再返回执行步骤s4-s7，直到电感器感值l大于电感最小值l
min
且耦合系数k小于0.05。
18.进一步地，所述步骤s2中，根据理论公式计算所述矩阵电感器中每相电感器的电感最小值l
min
。
19.进一步地，所述步骤s4中，运行仿真模型计算线圈匝数n
min
，包括：
20.s41、在仿真模型中设定气隙大小h、气隙位置d的初值；
21.s42、运行仿真，得到其中一相电感器的自感与其线圈匝数n的关系曲线，由于每相电感器结构完全相同，因此其他相电感器自感与线圈匝数n的关系完全一致；
22.s43、基于步骤s23得到的电感最小值l
min
，根据关系曲线确定所述矩阵电感器的线圈匝数n
min
。
23.进一步地，所述步骤s5中，根据计算得到的线圈匝数n
min
，计算气隙位置d与耦合系数k的关系，选取d的取值，包括：
24.s51、在所述矩阵电感器的仿真模型中将矩阵电感器线圈匝数n设置为步骤s43获得的线圈匝数n
min
；
25.s52、将所述矩阵电感器的气隙大小h设置相应值(步骤s41中的初值或调整值)，通过仿真得到矩阵电感器的气隙位置d与耦合系数k的关系曲线。
26.s53、根据d与耦合系数k的关系曲线，选取d的取值使k＜0.05；
27.进一步地，所述步骤s6中，根据计算得到的线圈匝数n
min
和的数值，计算气隙大小h与耦合系数k的关系，选取h的取值，包括：
28.s61、在所述矩阵电感器的仿真模型中将矩阵电感器线圈匝数n设置为步骤s43获得的线圈匝数n
min
；
29.s62、将所述矩阵电感器的气隙位置d设置为步骤s53获得的取值，通过仿真得到矩阵电感器的气隙大小h与耦合系数k的关系曲线。
30.s63、根据h与耦合系数k的关系曲线，选取h的取值使k＜0.05。
31.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
32.1、本发明提供的适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器，采用本专利
结构和参数确定方法，能够降低多相并联运行双向直直变换器电感器体积、提高电感器功率密度。根据研究结果将结构参数气隙位置d设置为零，能够简化该型电感器的设计过程。
33.2、本发明提供的适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器，通过设置耦合系数，调整结构参数气隙位置d和气隙大小h，使耦合系数k小于0.05，以消除共磁路带了的电流不平衡问题，保障直直变换器的性能要求。
34.基于上述理由本发明可在电感器等领域广泛推广。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为现有多相并联双向直直变换器采用多个独立的电感器的结构图。
37.图2为现有多相并联双向直直变换器采用多组两相耦合电感器的结构图。
38.图3为本发明实施例提供的矩阵电感器的正视图。
39.图4为本发明实施例提供的矩阵电感器的左视图。
40.图5为本发明实施例提供的矩阵电感器的俯视图。
41.图6为本发明实施例提供的多路电感器铁芯的正多边形布置结构。
42.图7为本发明实施例提供的矩阵电感器的结构参数示意图。
43.图8为本发明实施例提供的矩阵电感器参数确定流程。
44.图9为本发明实施例提供的六相并联运行双向直直变换器的电感器电路图。
45.图10为本发明实施例提供的单相电感器自感与匝数的特性曲线。
46.图11为本发明实施例提供的单相电感器气隙位置d与耦合系数k12、k13、k14的特性曲线。
47.图12为本发明实施例提供的单相电感器气隙位置h与耦合系数k12、k13、k14的特性曲线。
具体实施方式
48.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
49.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
51.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
52.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
53.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
54.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
55.本发明提供了一种适用于多相并联运行双向直直变换器的矩阵电感器，包括：由多个铁磁芯和绕制在铁磁芯上的多个线圈组成的多路电感器的矩阵式结构，多路电感器共用磁路，任意一相电感与其相邻两相电感之间的空间夹角相等，且任意一相电感的参数与其余任意一相的参数完全一致。如图3-5所示，为降低电抗器尺寸、提高功率密度，将电感器绕制在同一个磁芯上，电感器结构如图3所示，其中深色为线圈，浅色为铁芯。
56.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图6所示，各路所述铁磁芯的最外侧中心点顶点构成一个正多边形结构。当电感器相数为四相时，电感器为矩形阵列结构；当电感器相数大于四相时，电感器为环形阵列结构，本实施例将任意相数的电感称为矩阵电感器。
57.矩阵式电感器的结构参数有：线圈匝数n、铁磁芯尺寸、气隙大小h和气隙位置d，如图7所示。这种结构的矩阵电感器存在磁路耦合，存在电流不平衡问题。为解决这一问题，可以通过改变电感器结构参数，使得各相电感之间的耦合系数k满足要求。铁磁芯尺寸受限于安装尺寸限制，一般不改变铁磁芯尺寸。可以通过改变线圈匝数n、气隙大小h和气隙位置d，来获得最佳性能。基于此，如图8所示，本发明提供了一种基于上述适用于多相并联运行双
向直直变换器的矩阵电感器的参数确认方法，包括：
58.s1、根据安装位置、空间尺寸和电气性能等要求，确定所述矩阵电感器的基本铁磁芯尺寸和并联相数；
59.s2、计算所述矩阵电感器中每相电感器的电感最小值l
min
；
60.s3、使用仿真软件搭建所述矩阵电感器的仿真模型，仿真模型中包括所述矩阵电感器的结构参数线圈匝数n、气隙大小h以及气隙位置d；在仿真模型中线圈匝数n、气隙大小h、气隙位置d均为待确定的变量。
61.s4、运行仿真模型，设置气隙大小h和气隙位置d为任意初值，计算线圈匝数n
min
；
62.s5、根据计算得到的线圈匝数n
min
，设置气隙大小h为相应值(步骤s41中的初值或调整值)，计算气隙位置d与耦合系数k的关系曲线，选择d的取值使耦合系数k小于0.05；
63.s6、根据步骤s4获得的n
min
和步骤s5获得的d的数值，计算计算气隙大小h与耦合系数k的关系曲线，选择h的取值使耦合系数k小于0.05；；
64.s7、根据步骤s4计算得到的线圈匝数n
min
、步骤s5计算得到的气隙大小d和步骤s6计算得到的气隙大小h，校核电感值l；
65.s8、根据步骤s7获得的电感值l，判断是否大于电感最小值l
min
，若电感值l小于电感最小值l
min
，则调整线圈匝数n、气隙位置d、气隙大小h，再返回执行步骤s4-s7，直到电感器感值l大于电感最小值l
min
且耦合系数k
66.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图9所示，本实施例以六相并联运行双向直直变换器的电感器设计为例进行说明，图9标注出来的变量：v1、v2为端电压；s1、s2为1相功率元件；l1为1相电感器；s3、s4为2相功率元件；l2为2相电感器；s5、s6为3相功率元件；l3为3相电感器；s7、s8为4相功率元件；l4为4相电感器；s9、s
10
为5相功率元件；l5为5相电感器；s
11
、s
12
为6相功率元件；l6为6相电感器；c1、c2为滤波电容；其分析设计及控制方法同样适用于其他数量的多相并联双向直直变换器。所述步骤s2中，根据理论公式计算所述矩阵电感器中每相电感器的电感最小值l
min
，包括：
67.s21、当双向直直变换器工作在buck模式时，即六相并联运行双向直直变换器上管s1、s3、s5、s7、s9、s
11
存在驱动信号，端电压满足下式：
[0068]v2
＝dv1[0069]
其中，d为开关管的导通占空比；
[0070]
s211、计算电感器电流纹波为：
[0071][0072]
其中，i
l
为电感电流平均值；f为双向直直变换器工作频率；
[0073]
s212、电感器在电路上的参数为电感大小，若要求电感器纹波小于定值α，则可以得到电感器最小值l
min1
：
[0074][0075]
s22、当双向直直变换器工作在boost模式时，即六相并联运行双向直直变换器下管s2、s4、s6、s8、s
10
、s
12
存在驱动信号，端电压满足下式：
[0076][0077]
其中，d为开关管的导通占空比；
[0078]
s221、计算电感器电流纹波为：
[0079][0080]
其中，i
l
为电感电流平均值；f为双向直直变换器工作频率；
[0081]
s222、电感器在电路上的参数为电感大小，若要求电感器纹波小于定值α，则可以得到电感器最小值l
min2
：
[0082][0083]
s23、取步骤s212得到的电感器最小值l
min1
和步骤s222得到的电感器最小值l
min2
中的较大值作为每相电感器的电感最小值l
min
。
[0084]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s4中，运行仿真模型计算线圈匝数n
min
，包括：
[0085]
s41、在仿真模型中设定气隙大小h、气隙位置d的初值；
[0086]
s42、运行仿真，得到其中一相电感器的自感与其线圈匝数n的关系曲线，如图10所示，由于每相电感器结构完全相同，因此其他相电感器自感与线圈匝数n的关系完全一致；
[0087]
s43、基于步骤s2得到的电感最小值l
min
，根据关系曲线确定所述矩阵电感器的线圈匝数n
min
。
[0088]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s5中，根据计算得到的线圈匝数n
min
，计算气隙位置d与耦合系数k的关系，并确定d的取值，包括：
[0089]
s51、在所述矩阵电感器的仿真模型中将矩阵电感器线圈匝数n设置为步骤s43获得的线圈匝数n
min
；
[0090]
s52、将所述矩阵电感器的气隙大小h设置一个相应值(步骤s41中的初值或调整值)，通过仿真得到矩阵电感器的气隙位置d与耦合系数k12、k13、k14的关系曲线，如图11所示，由于电感器为对称结构，满足k12＝k16、k13＝k15，所以这里只列出了k12、k13、k14与气隙位置d之间的关系，而k15、k16与气隙位置d之间的关系则不再赘述。为减少多相并联运行直直变换器中电感电流不平衡，需要保证电感器任意两相之间的耦合系数k很小，这里取k小于0.05。由图11可以看出k12、k13、k14均随着气隙位置d的变大而增大，存在最大的气隙位置d
max
使得任意电感器任意两相之间的耦合系数k小于0.05。通过研究发现d与k、h与k都是线性关系，在h一定的情况下，d为零时k最小，所以就确定了d取零最为合适。
[0091]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s6中，根据计算得到的线圈匝数n
min
，计算气隙大小h与耦合系数k的关系，并确定h的取值包括：
[0092]
s61、在所述矩阵电感器的仿真模型中将矩阵电感器线圈匝数n设置为步骤s43获得的线圈匝数n
min
；
[0093]
s62、将所述矩阵电感器的气隙位置d设置为零，通过仿真得到矩阵电感器的气隙大小h与耦合系数k12、k13、k14的关系曲线，如图12所示。由于电感器为对称结构，满足k12
＝k16、k13＝k15,所以这里只列出了k12、k13、k14与气隙大小h之间的关系，而k15、k16与气隙大小h之间的关系则不再赘述。为减少多相并联运行直直变换器中电感电流不平衡，需要保证电感器任意两相之间的耦合系数k很小，这里取k小于0.05。从图12中可以看出k12、k13、k14均随着气隙h变大而减小，存在最小的h
min
使得k12、k13、k14均小于0.05。但是电感器气隙不能无限增大，因为较大的气隙会导致扩散磁通切割绕组从而产生涡流损耗，对变换器运行效率产生直接影响，因此电感器气隙大小h取比h
min
稍大一些值即可。
[0094]
根据上述步骤确定的n、d和h，进行每路电感量l的核算，使多路电感器的每一路电感量达到最小要求，且各路之间的耦合系数小于最大值，多路电感器设计完成。
[0095]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。