一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置

1.本发明公开一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置。


背景技术：

2.为了满足高可靠性的要求，增强型容错直流转直流变流器在开关器件发生两次短路故障后仍能正常工作。利用冗余电路获得第一次容错，通过拓扑重构只增加两个额外的次级二极管来实现第二次容错，成本较低。在不同的工作模式下，一次开关的电压和电流应力基本保持不变，简化了电路设计。然而，该增强型容错直流转直流变流器使用了大量体积庞大且重量笨重的无源元件，这无疑显著增加了装置的尺寸和体积。因此，本发明引入了柔性多层带材无源元件集成技术，将两个串联谐振电感、两个串联谐振电容、两个并联谐振电感、两个变压器原边、四个变压器副边和一个滤波电容全部集成在一组e-e型磁芯中，可以显著减小无源元件所占体积以提高该变流器的功率密度，其在电动汽车充电领域得到了广泛的重视和研究。
3.本发明面向一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置，具有以下优点：(1) 通过一个冗余电路和两个额外的二极管，实现了开关器件在电路短路时的二次容错能力，有效地提高了系统的可靠性；(2) 开关器件上的电压、电流应力保持不变，简化了电路设计；(3) 冗余拓扑的电路运行相似，可以采用统一的控制系统，使用相同的pi补偿器。


技术实现要素：

4.本发明解决上述问题的技术方案是：一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置包括第一柔性多层带材集成绕组、第二柔性多层带材集成绕组、第一e型磁芯、第二e型磁芯；第一e型磁芯位于第二e型磁芯上方且与第二e型磁芯相对接触设置，第一e型磁芯左右磁柱分别与第二e型磁芯左右磁柱之间设有气隙；第一柔性多层带材集成绕组绕制在第一e型磁芯和第二e型磁芯的左磁柱上、第二柔性多层带材集成绕组绕制在第一e型磁芯和第二e型磁芯的右磁柱上；所述的第一柔性多层带材集成绕组由里到外依次排列为第一绝缘带材、第一导体带材、第一电介质带材、第二导体带材、第一漏感带材、第二绝缘带材、第三导体带材、第二电介质带材、第四导体带材、第三绝缘带材、第五导体带材、第三电介质带材和第六导体带材；所述的第二柔性多层带材集成绕组由里到外依次排列为第四绝缘带材、第七导体带材、第四电介质带材、第八导体带材、第二漏感带材、第五绝缘带材、第九导体带材、第五电介质带材、第十导体带材、第六绝缘带材、第十一导体带材、第六电介质带材和第十二导体带材。
5.所述的第一导体带材左端口分别与第一开关管源极和第二开关管漏极共同连接在一起，其右端口悬空不接入电路；所述的第二导体带材左端口悬空不接入电路，其右端口分别与第三开关管源极和第四开关管漏极共同连接在一起；所述的第三导体带材左端口分
别与第一二极管阴极、第二二极管阴极共同连接在一起，其右端口分别与第五导体带材右端口、第十导体带材右端口、第十二导体带材右端口、第三二极管阴极、第六二极管阴极和负载上端共同连接在一起；所述的第四导体带材左端口悬空不接入电路，其右端口分别与第六导体带材右端口、第九导体带材右端口、第十一导体带材右端口、第二二极管阳极、第五二极管阳极和负载下端共同连接在一起；所述的第五导体带材左端口分别与第四二极管阴极和第五二极管阴极共同连接在一起；所述的第六导体带材左端口悬空不接入电路；所述的第七导体带材左端口分别与第五开关管源极和第六开关管漏极共同连接在一起，其右端口悬空不接入电路；所述的第八导体带材左端口悬空不接入电路，其右端口分别与第七开关管源极和第八开关管漏极共同连接在一起；所述的第九导体带材左端口分别与第一二极管阳极和第三二极管阳极共同连接在一起；所述的第十导体带材左端口悬空不接入电路；所述的第十一导体带材左端口分别与第四二极管阳极和第六二极管阳极共同连接在一起；所述的第十二导体带材左端口悬空不接入电路。
6.所述的第一导体带材、第一电介质带材和第二导体带材共同构成第一串联谐振电容；所述的第一漏感带材通过设置其厚度来调节第一变压器漏感的大小，该第一变压器的漏感用于替代第一串联谐振电感；所述的第一e型磁芯左边柱与第二e型磁芯左边柱之间的气隙通过调节其高度来改变第一变压器激磁电感大小，该第一变压器的激磁电感用于替代第一并联谐振电感；所述的第二导体带材构成第一变压器原边；所述的第三导体带材构成第一变压器第一副边；所述的第三导体带材、第二电介质带材和第四导体带材共同构成第一输出滤波电容；所述的第五导体带材构成第一变压器第二副边；所述的第五导体带材、第三电介质带材和第六导体带材共同构成第二输出滤波电容；所述的第七导体带材、第四电介质带材和第八导体带材共同构成第二串联谐振电容；所述的第二漏感带材通过设置其厚度来调节第二变压器漏感的大小，该第二变压器的漏感用于替代第二串联谐振电感；所述的第一e型磁芯右边柱与第二e型磁芯右边柱之间的气隙通过调节其高度来改变第二变压器激磁电感大小，该第二变压器的激磁电感用于替代第二并联谐振电感；所述的第八导体带材构成第二变压器原边；所述的第九导体带材构成第二变压器第一副边；所述的第九导体带材、第五电介质带材和第十导体带材共同构成第三输出滤波电容；所述的第十一导体带材构成第二变压器第二副边；所述的第十一导体带材、第六电介质带材和第十二导体带材共同构成第四输出滤波电容。
7.所述的第一柔性多层带材集成绕组和第二柔性多层带材集成绕组形成的集总参数模型为第一串联谐振电容、第一串联谐振电感、第一并联谐振电感、第一变压器原边、第一变压器第一副边、第一变压器第二副边、第二串联谐振电容、第二串联谐振电感、第二并联谐振电感、第二变压器原边、第二变压器第一副边、第二变压器第二副边、以及由第一输出滤波电容、第二输出滤波电容、第三输出滤波电容、第四输出滤波电容并联形成的第五输出滤波电容。
8.本发明的有益效果在于：从实际需求出发，提出一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置，其采用柔性多层带材集成技术以提高功率密度为目标，提升集成单元在电力电子装置中的可靠性与安全性。
附图说明
9.图1为本发明的整体结构示意图。
10.图2为本发明的爆炸结构示意图。
11.图3为本发明的工作结构示意图。
12.图4和图5为本发明装置的集总参数模型结构示意图。
具体实施方式
13.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
14.如图1-图3所示，一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置包括第一柔性多层带材集成绕组1、第二柔性多层带材集成绕组2、第一e型磁芯3、第二e型磁芯4；第一e型磁芯3位于第二e型磁芯4上方且与第二e型磁芯4相对接触设置，第一e型磁芯3左右磁柱分别与第二e型磁芯4左右磁柱之间设有气隙；第一柔性多层带材集成绕组1绕制在第一e型磁芯3和第二e型磁芯4的左磁柱上、第二柔性多层带材集成绕组2绕制在第一e型磁芯3和第二e型磁芯4的右磁柱上；所述的第一柔性多层带材集成绕组1由里到外依次排列为第一绝缘带材5、第一导体带材6、第一电介质带材7、第二导体带材8、第一漏感带材9、第二绝缘带材10、第三导体带材11、第二电介质带材12、第四导体带材13、第三绝缘带材14、第五导体带材15、第三电介质带材16和第六导体带材17；所述的第二柔性多层带材集成绕组2由里到外依次排列为第四绝缘带材18、第七导体带材19、第四电介质带材20、第八导体带材21、第二漏感带材22、第五绝缘带材23、第九导体带材24、第五电介质带材25、第十导体带材26、第六绝缘带材27、第十一导体带材28、第六电介质带材29和第十二导体带材30。
15.所述的第一导体带材6左端口47分别与第一开关管32源极和第二开关管33漏极共同连接在一起，其右端口悬空不接入电路；所述的第二导体带材8左端口悬空不接入电路，其右端口48分别与第三开关管34源极和第四开关管35漏极共同连接在一起；所述的第三导体带材11左端口51分别与第一二极管40阴极、第二二极管41阴极共同连接在一起，其右端口53分别与第五导体带材15右端口、第十导体带材26右端口、第十二导体带材30右端口、第三二极管42阴极、第六二极管45阴极和负载46上端共同连接在一起；所述的第四导体带材13左端口悬空不接入电路，其右端口56分别与第六导体带材17右端口、第九导体带材24右端口、第十一导体带材28右端口、第二二极管41阳极、第五二极管44阳极和负载46下端共同连接在一起；所述的第五导体带材15左端口52分别与第四二极管43阴极和第五二极管44阴极共同连接在一起；所述的第六导体带材17左端口悬空不接入电路；所述的第七导体带材19左端口49分别与第五开关管36源极和第六开关管37漏极共同连接在一起，其右端口悬空不接入电路；所述的第八导体带材21左端口悬空不接入电路，其右端口50分别与第七开关管38源极和第八开关管39漏极共同连接在一起；所述的第九导体带材24左端口54分别与第一二极管40阳极和第三二极管42阳极共同连接在一起；所述的第十导体带材26左端口悬空不接入电路；所述的第十一导体带材28左端口55分别与第四二极管43阳极和第六二极管45阳极共同连接在一起；所述的第十二导体带材30左端口悬空不接入电路。
16.如图3-图5所示，所述的第一导体带材6、第一电介质带材7和第二导体带材8共同构成第一串联谐振电容59；所述的第一漏感带材9通过设置其厚度来调节第一变压器漏感的大小，该第一变压器的漏感用于替代第一串联谐振电感60；所述的第一e型磁芯3左边柱
与第二e型磁芯4左边柱之间的气隙通过调节其高度来改变第一变压器激磁电感大小，该第一变压器的激磁电感用于替代第一并联谐振电感61；所述的第二导体带材8构成第一变压器原边62；所述的第三导体带材11构成第一变压器第一副边63；所述的第三导体带材11、第二电介质带材12和第四导体带材13共同构成第一输出滤波电容71；所述的第五导体带材15构成第一变压器第二副边64；所述的第五导体带材15、第三电介质带材16和第六导体带材17共同构成第二输出滤波电容72；所述的第七导体带材24、第四电介质带材20和第八导体带材21共同构成第二串联谐振电容65；所述的第二漏感带材22通过设置其厚度来调节第二变压器漏感的大小，该第二变压器的漏感用于替代第二串联谐振电感66；所述的第一e型磁芯3右边柱与第二e型磁芯4右边柱之间的气隙通过调节其高度来改变第二变压器激磁电感大小，该第二变压器的激磁电感用于替代第二并联谐振电感67；所述的第八导体带材21构成第二变压器原边68；所述的第九导体带材24构成第二变压器第一副边69；所述的第九导体带材24、第五电介质带材25和第十导体带材26共同构成第三输出滤波电容73；所述的第十一导体带材28构成第二变压器第二副边70；所述的第十一导体带材28、第六电介质带材29和第十二导体带材30共同构成第四输出滤波电容74。
17.所述的第一柔性多层带材集成绕组1和第二柔性多层带材集成绕组2形成的集总参数模型为第一串联谐振电容59、第一串联谐振电感60、第一并联谐振电感61、第一变压器原边62、第一变压器第一副边63、第一变压器第二副边64、第二串联谐振电容65、第二串联谐振电感66、第二并联谐振电感67、第二变压器原边68、第二变压器第一副边69、第二变压器第二副边70、以及由第一输出滤波电容71、第二输出滤波电容72、第三输出滤波电容73、第四输出滤波电容74并联形成的第五输出滤波电容75。

技术特征：
1.一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置，其特征在于：包括第一柔性多层带材集成绕组、第二柔性多层带材集成绕组、第一e型磁芯、第二e型磁芯；第一e型磁芯位于第二e型磁芯上方且与第二e型磁芯相对接触设置，第一e型磁芯左右磁柱分别与第二e型磁芯左右磁柱之间设有气隙；第一柔性多层带材集成绕组绕制在第一e型磁芯和第二e型磁芯的左磁柱上、第二柔性多层带材集成绕组绕制在第一e型磁芯和第二e型磁芯的右磁柱上；所述的第一柔性多层带材集成绕组由里到外依次排列为第一绝缘带材、第一导体带材、第一电介质带材、第二导体带材、第一漏感带材、第二绝缘带材、第三导体带材、第二电介质带材、第四导体带材、第三绝缘带材、第五导体带材、第三电介质带材和第六导体带材；所述的第二柔性多层带材集成绕组由里到外依次排列为第四绝缘带材、第七导体带材、第四电介质带材、第八导体带材、第二漏感带材、第五绝缘带材、第九导体带材、第五电介质带材、第十导体带材、第六绝缘带材、第十一导体带材、第六电介质带材和第十二导体带材。2.根据权利要求1所述的一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置，其特征在于：所述的第一导体带材左端口分别与第一开关管源极和第二开关管漏极共同连接在一起，其右端口悬空不接入电路；所述的第二导体带材左端口悬空不接入电路，其右端口分别与第三开关管源极和第四开关管漏极共同连接在一起；所述的第三导体带材左端口分别与第一二极管阴极、第二二极管阴极共同连接在一起，其右端口分别与第五导体带材右端口、第十导体带材右端口、第十二导体带材右端口、第三二极管阴极、第六二极管阴极和负载上端共同连接在一起；所述的第四导体带材左端口悬空不接入电路，其右端口分别与第六导体带材右端口、第九导体带材右端口、第十一导体带材右端口、第二二极管阳极、第五二极管阳极和负载下端共同连接在一起；所述的第五导体带材左端口分别与第四二极管阴极和第五二极管阴极共同连接在一起；所述的第六导体带材左端口悬空不接入电路；所述的第七导体带材左端口分别与第五开关管源极和第六开关管漏极共同连接在一起，其右端口悬空不接入电路；所述的第八导体带材左端口悬空不接入电路，其右端口分别与第七开关管源极和第八开关管漏极共同连接在一起；所述的第九导体带材左端口分别与第一二极管阳极和第三二极管阳极共同连接在一起；所述的第十导体带材左端口悬空不接入电路；所述的第十一导体带材左端口分别与第四二极管阳极和第六二极管阳极共同连接在一起；所述的第十二导体带材左端口悬空不接入电路。3.根据权利要求1所述的一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置，其特征在于：所述的第一导体带材、第一电介质带材和第二导体带材共同构成第一串联谐振电容；所述的第一漏感带材通过设置其厚度来调节第一变压器漏感的大小，该第一变压器的漏感用于替代第一串联谐振电感；所述的第一e型磁芯左边柱与第二e型磁芯左边柱之间的气隙通过调节其高度来改变第一变压器激磁电感大小，该第一变压器的激磁电感用于替代第一并联谐振电感；所述的第二导体带材构成第一变压器原边；所述的第三导体带材构成第一变压器第一副边；所述的第三导体带材、第二电介质带材和第四导体带材共同构成第一输出滤波电容；所述的第五导体带材构成第一变压器第二副边；所述的第五导体带材、第三电介质带材和第六导体带材共同构成第二输出滤波电容；所述的第七导体带材、第四电介质带材和第八导体带材共同构成第二串联谐振电容；所述的第二漏感带材通过设置其厚度来调节第二变压器漏感的大小，该第二变压器的漏感用于替代第二串联谐振电
感；所述的第一e型磁芯右边柱与第二e型磁芯右边柱之间的气隙通过调节其高度来改变第二变压器激磁电感大小，该第二变压器的激磁电感用于替代第二并联谐振电感；所述的第八导体带材构成第二变压器原边；所述的第九导体带材构成第二变压器第一副边；所述的第九导体带材、第五电介质带材和第十导体带材共同构成第三输出滤波电容；所述的第十一导体带材构成第二变压器第二副边；所述的第十一导体带材、第六电介质带材和第十二导体带材共同构成第四输出滤波电容。4.根据权利要求1一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置，其特征在于：所述的第一柔性多层带材集成绕组和第二柔性多层带材集成绕组形成的集总参数模型为第一串联谐振电容、第一串联谐振电感、第一并联谐振电感、第一变压器原边、第一变压器第一副边、第一变压器第二副边、第二串联谐振电容、第二串联谐振电感、第二并联谐振电感、第二变压器原边、第二变压器第一副边、第二变压器第二副边、以及由第一输出滤波电容、第二输出滤波电容、第三输出滤波电容、第四输出滤波电容并联形成的第五输出滤波电容。

技术总结
本发明公开一种适用于增强型容错直流转直流变流器的无源元件集成装置，其包括第一和第二柔性多层带材集成绕组、第一和第二E型磁芯；第一磁芯位于第二磁芯上方且与之相对设置；第一、第二柔性多层带材集成绕组分别绕制在两个相对设置磁芯的左、右两个磁柱上。本发明从实际出发，采用柔性多层带材集成技术创制的两个集成绕组，将两个串联谐振电感、两个串联谐振电容、两个并联谐振电感、两个变压器原边、四个变压器副边和一个滤波电容全部集成在一组E-E型磁芯中，有效缩减了无源元件体积，提高了电路功率密度。高了电路功率密度。


技术研发人员：邓成 魏银波 唐杰
受保护的技术使用者：邵阳学院
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2023/9/7