北京交通大学等单位李紫薇、吴学智 等：谐振开关电容变换器磁集成电感设计

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针对谐振开关电容变换器中电感数量多、难于集成问题，北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心的李紫薇、吴学智、祁静静、荆龙、续文政与深圳供电局有限公司的王静，在2022年第24期《电工技术学报》上撰文，采用解耦磁集成方法基于谐振开关电容变换器进行了磁集成电感设计。

研究背景、论文所解决的问题及意义

开关电容变换器（SCC）拓扑中只包含电容和开关器件，可大幅减小变换器体积，适用于数据中心、电动汽车等对效率和功率密度要求较高的场合。采用开关电容变换器纵向级联设计可实现宽降压比，通过占空比调控实现不同电压增益。

目前对高效率高功率密度变换器进行磁集成设计已成为研究热点，但现有研究主要集中在结构优化和控制策略，对该变换器电感元件进行磁集成设计尚不成熟。电感元件作为谐振开关电容变换器中重要组成部分，是影响变换器在质量和体积上优化的关键因素。为实现谐振开关电容变换器前后谐振周期相同，需要保证电感参数的一致性。采用磁集成耦合电感方法，可以用单一的磁性元件实现多个元件的功能，更有利于降低磁性元件体积、减小电感电流纹波和磁性元件损耗、解决参数不一致的问题。

论文方法及创新点

研究人员首先分析了变换器拓扑原理，得出前后级谐振电感电流不等的问题。通过耦合磁集成与解耦磁集成两种方法进行对偶分析，确定了解耦磁集成方法耦合系数更高，且能够抵消部分磁通，避免电流不等导致的磁通叠加后过大现象。谐振开关电容变换器电感元件众多，且设计时需要保持前后谐振周期一致，采用独立电感不易实现。为解决此问题，研究人员采用完全对称绕组设计磁集成电感。制作了实验样机，验证了所设计磁集成电感方法的合理性和有效性。

图1  谐振开关电容变换器拓扑

图2  磁集成电感绕组结构

图3 实验样机

图4 效率曲线对比

结论

研究人员经实验验证发现，解耦磁集成总损耗最小，其磁心损耗大幅减小是降低总损耗的主要因素。与独立电感相比，解耦磁集成方法总损耗减小了约25%，体积下降了约50%。磁集成电感效率始终高于独立电感，最高效率可达97.09%，与独立电感相比提升了1.671%。变换器中采用解耦磁集成方式占据体积更小、磁通密度分布更均匀，可有效降低损耗，对于提升变换器功率密度更具优势。

采用有限元软件进行仿真证明，耦合磁集成耦合系数约为0.33，解耦磁集成采用绕组交叉排布时耦合系数约为0.98，采用非交叉排布时耦合系数约为0.79，由此得出解耦磁集成采用交叉排布方式可以提高耦合度，同时绕组间耦合度几乎为零，可以解决SCC电路前后两级电感电流不等导致的解耦困难问题。

为提高耦合度，电感间采用绕组交叉排布方式，利用完全对称绕组方法可减小绕组在设计时对磁性参数的影响，有效提升多个电感参数的一致性。

团队介绍
国家能源主动配电网技术研发中心隶属于北京交通大学电气工程学院新能源研究所，主要围绕新能源发电技术及其应用展开，涵盖电力电子技术、电力系统及其自动化、电机控制等领域的理论研究和工程应用，研究项目涵盖微网系统、电能柔性变换、工程化设计等。

• 李紫薇，硕士研究生，研究方向为磁集成技术。
• 吴学智，教授，博士生导师，研究方向为新能源并网技术、微网系统及大功率电机控制技术等。
• 祁静静，在读博士生，研究方向为电力电子与电力传动、谐振变换器、开关电容与开关电感等。
• 荆龙，副教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术、新能源发电技术、柔性直流系统等。
• 续文政，讲师，硕士生导师，研究方向为电力电子变换、无线电能传输、交通电气化等。

本文编自2022年第24期《电工技术学报》，论文标题为“谐振开关电容变换器磁集成电感设计”。本课题得到面向大规模可再生能源消纳的城市建筑与电网互动关键技术研究与应用资助项目的支持。

引用本文

李紫薇, 吴学智, 王静, 祁静静, 荆龙, 续文政. 谐振开关电容变换器磁集成电感设计[J]. 电工技术学报, 2022, 37(24): 6230-6238. Li Ziwei, Wu Xuezhi, Wang Jing, Qi Jingjing, Jing Long, Xu Wenzheng. Design of Magnetic Integrated Inductor for Resonant Switched Capacitor Converter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(24): 6230-6238.

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