输入串联型直流变换器高频集成变压器的分布电容效应解析及设计理论研究

Multiple circuits are connected in series at their input side, which can solve the problem of high voltage stress in the high voltage converters effectively. At present, the research on the input-series dc converters suitable for medium or low power fields is in the initial developing stage. With the increasing of input voltage, the stray capacitances effects of the high-frequency transformers become an important problem which cannot be avoided in the medium or low power supplies fields..The input-series dc converters based on transformer-integration are suitable for the high-input-voltage medium or lower power applications. The research of this project is aiming at the stray capacitances effects of integrated-transformers in these converters. Starting from the centralized modeling of various capacitances in the integrated-transformers, the influence mechanism of the stray capacitances effects on each series circuit will be determined. On these basis, through the study of stray capacitances effects of the integrated-transformers when various windings strategies are adopted, the design principles of the integrated-transformers will be obtained, which are aimed at the minimum of the stray capacitances effects, the best input voltage sharing effects, and the balanced stray capacitances effects on each series circuit respectively. On these foundations, the design theories of integrated-transformers will be induced under different input voltage and switching frequency, which will build the theoretical foundation for these converters in the high-input-voltage medium or low power applications.

将多个电路在输入侧串联可有效解决高压变换器电压应力大的问题，目前对于适合中小功率领域的输入串联型直流变换器的研究尚在起步阶段。随着输入电压的不断提高，高频变压器的分布电容效应成为中小功率开关电源研究领域中一个无法回避的问题。.基于变压器集成的输入串联型直流变换器适合高压输入、中小功率领域应用。本项目针对该类变换器集成变压器的分布电容效应展开研究，申请者从集成变压器各种分布电容的集中化建模入手，在明确分布电容效应对各串联电路影响机制的基础上，通过对采用各种绕组绕制方法与布局方式时集成变压器分布电容效应的研究，分别获得以分布电容效应最小、输入均压效果最佳、均衡各串联电路分布电容效应为目标的集成变压器设计原则。在此基础上，在不同输入电压、开关频率下，归纳集成变压器的设计理论，为该类变换器在高压输入、中小功率领域的应用奠定理论基础。

本项目针对一种适合高压输入、多输出场合的输入串联型直流变换器及其集成变压器的设计理论展开研究。重点研究了基于变压器集成方式的各串联电路自然均压实现机理及其优化方法、各串联电路间环流的影响机制及其抑制策略、集成变压器的分布电容影响机制与绕组布局3个方面内容，并取得了一定的研究进展。. (1) 深入分析了基于反激式、正激式集成变压器的各串联电路自然均压实现机理，在此基础上，以提高各串联电路输入均压效果为目标，归纳了该类变换器关键电路参数的设计原则；提出一种基于耦合电感的无源缓冲环节，辅助实现了该类单开关反激式变换器在开关管关断阶段的自然均压以及各开关管的自然均压。. (2) 以该类双开关反激式变换器和单开关反激式变换器为研究对象，在变换器的自然均压过程中，分析明确了各串联电路之间环流的产生机理与影响因素；在此基础上，提出一种适合该类变换器控制电路的改进式内环电流采样方法，消除了各串联电路之间环流对变换器轻载运行的影响。. (3) 以该类双开关反激式变换器为研究对象，对变压器原边绕组的分布电容储能进行分析，明确了基于降低分布电容储能影响的原边绕组结构以及绕制方式的优化方法；对集成变压器各原边绕组之间的分布电容储能进行分析和对比，得到一种原边绕组之间分布电容储能影响相对较小的同向层层交错式原边绕组布局方法；对集成变压器各原边绕组之间分布电容进行集中化建模，在此基础上对所提同向层层交错式布局的原边绕组之间分布电容储能进行分析，当该类变换器输入串联电路数相对较大时，得到一种可有效抑制集成变压器各原边绕组之间分布电容储能影响的交错式单层原边绕组布局方法。. 本项目的各项研究结果为该类适合高压输入、中小功率场合电源样机的研发奠定坚实的理论基础。