一种基于磁解耦的低交叉调整率多路输出变换器

本发明属于电力电子变换器，具体涉及一种基于磁解耦的低交叉调整率多路输出变换器。

背景技术：

1、日常生活中，常常需要多个端口同时进行供电，早些时候,人们把几个独立的dc/dc变换器组装在一起获得多路输出电源，但这种方式造成了电源成本及体积的增加，同时也带来了拍频干扰问题。从20世纪70年代开始，多路输出开关电源就被广泛应用于工业、商业及军事设备的电子系统中，相较于传统产生多路输出的方法，多路输出变换器减少了元件的数量，降低了电源的体积和成本，可广泛应用于多端口供电系统领域中。

2、在多路输出变换器中，交叉调整率是一直存在的问题。为了使每路输出电压都能保持在较高的精度，业界学者以及相关人员做出了大量研究工作，比如已公开文献《designand analysis of a power factor corrected quad output off-line isolated ac todc universal power supply with improved cross-regulation》2022ieeeinternational conference on power electronics,drives and energy systems(pedes),jaipur,india,2022,pp.1-6，文中提出了加权反馈法，该方法对每路的输出电压按比例进行采样，但这种方法只是将误差在各支路上重新分配，并没有从根本上去消除误差。文献《gan-based multiple output flyback converter with independentlycontrolled outputs》ieee trans.ind.electron.,vol.69,no.3,pp.2565–2576,mar.2022，文中通过在输出路上增加同步开关，进一步地去调节每路输出电压，但同步开关增加的同时也加重了成本，并使得原先电路更加复杂。文献《small signal modeling andanalysis of single input three output buck converter using coupled inductor》2019national power electronics conference(npec),tiruchirappalli,india,2019,pp.1-6，文中引入耦合电感改善交叉调整率，但在输出路数较多时存在设计上的困难。文献《design and implementation of multiple output dc-dc converter with outputpower sequencing》2021 6th international conference for convergence intechnology(i2ct),maharashtra,india,2021,pp.1-7，文中在每路输出后接稳压器，但这样无疑加重了损耗。

3、因此，有必要提供一种基于磁解耦的低交叉调整率多路输出变换器，解决多路输出变换器存在的交叉调整率问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有多路输出变换器存在的交叉调整率问题，提供一种基于磁解耦的低交叉调整率多路输出变换器，采用磁解耦变压器解除了每路输出之间存在的耦合作用，从而使每路输出都能单独进行控制。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种基于磁解耦的低交叉调整率多路输出变换器，包括主电路和控制电路，所述主电路依次包括输入侧逆变网络、磁解耦变压器、二次侧全桥整流网络、一阶lc滤波网络和分压检测电路；所述控制电路依次包括输出电压采样电路、dsp数字控制器以及驱动电路；多路输出变换器中采用的磁解耦变压器能够解除每路输出存在的磁耦合关系，使每路输出电压都能单独得到控制。

4、进一步地，所述输入侧逆变网络包括输入电压vin以及开关管q1、q2、q3、q4，其中q1和q2控制一组变压器绕组中原边绕组的输入电压，q3和q4控制另一组变压器绕组中原边绕组的输入电压。

5、进一步地，所述磁解耦变压器采用ee型磁芯，一组变压器原副边绕组缠绕在磁芯的中柱，另一组变压器原副边绕组分别分成匝数相同的两部分并且以相反的绕向分别缠绕在磁芯的左右边柱上。

6、进一步地，所述磁解耦变压器两边柱的绕线方向满足两侧绕组分别产生的磁通不会相互抵消；两组变压器绕组在工作时，中柱绕组产生的磁通在侧柱绕组上产生的感应电压会相互抵消，两个边柱绕组在中柱产生的磁通方向相反，大小相等；最终中柱和侧柱上的变压器绕组工作时会互不影响，从而实现两路输出之间的磁解耦。

7、进一步地，直流电源vin的正极同缠绕在磁芯中柱的原边绕组的中心抽头以及缠绕在磁芯边柱的原边绕组的中心抽头相接，直流电源vin的负极同开关管q1、q2、q3、q4的源极相接，开关管q1、q2和q3、q4的漏极分别同两组变压器原边绕组的除去中心抽头那一端的其余两端连接，缠绕在磁芯中柱和边柱的变压器副边绕组分别同两个全桥整流网络连接。

8、进一步地，多路输出变换器的控制步骤为：

9、步骤一：两路电压输出vo1、vo2经分压检测电路和输出电压采样电路采样并进行模数转换后送给数字控制器；

10、步骤二：数字控制器将反馈电压vo1、vo2作为内部数字闭环控制程序的输入信号，对主电路进行闭环控制；

11、步骤三：针对两路输出的负载情况，控制电路分别适当的输出pwm1、pwm2和pwm3、pwm4信号给q1、q2和q3、q4，从而精确控制每路输出的输出电压。

12、进一步地，对两组变压器绕组解耦原理推导，包含以下步骤：

13、s1、根据磁路欧姆定律，每个磁柱上绕组产生的磁通如式(1)所示，其中δ＝r1r2+r1r3+r2r3；根据叠加定理，各绕组相互作用产生的磁通φ1、φ2和φ3如式(2)所示；

14、

15、

16、式中：np1和ns分别为变压器t的原、副边绕组的匝数；np′11和ns′1、np′12和ns′2分别为变压器t′绕组在磁芯i柱和ii柱上的原、副边绕组匝数；np1ip和nsis分别为变压器t的原边和副边绕组产生的磁动势；np′11ip′和ns′1is′，np′12ip′和ns′2is′分别为变压器t′在磁芯i柱和ii柱的原、副边绕组产生的磁动势；r1、r2和r3分别为i柱、ii柱和iii柱的等效磁阻；φt是变压器t产生的磁通量；φt′1和φt′2分别为变压器t′的一次绕组和二次绕组在磁芯i和ii上产生的磁通；φ1，φ2，φ3分别为磁芯i、ii、iii在各绕组共同作用下产生的磁通；

17、s2、将式(1)带入式(2)，得式(3)；根据法拉第电磁感应定律，变压器t一次绕组电压up、二次绕组电压us和变压器t′一次绕组电压up′、二次绕组电压us′表示为式(4)，结合式(1)～(3)得式(4)；

18、

19、

20、式中：“m”表示两绕组之间的互感系数，“l”表示绕组的自感系数；

21、s3、当变压器满足条件式(5)时，能得到式(6)；

22、

23、

24、式中：“k”表示变压器绕组之间的耦合系数；故证明两组变压器绕组工作时无耦合关系。

25、进一步地，根据式(7)验证磁芯工作时是否会出现饱和，并且根据式(8)确定绕组能否在一个磁芯绕制；

26、

27、

28、式中：f1、f2为两路输出的工作频率，aⅰ(ⅱ)、aⅲ为磁芯ⅰ(ⅱ)柱和ⅲ柱的截面积，b1,max、b2,max分别为磁芯ⅰ柱和ⅱ柱的最大工作磁通密度，rp1，rs和rp′11，rs′1分别为两组变压器原、副边绕组半径，aw为磁芯窗口面积，ku为磁芯窗口填充系数。

29、进一步地，对多路输出变换器工作时磁解耦变压器的工作原理进行磁路分析，三个磁柱上绕组产生的磁通量如式(9)所示：

30、

31、其中，δ＝r1r2+r1r3+r2r3；

32、式中：np1和ns分别为变压器t的原、副边绕组的匝数；np′11和ns′1、np′12和ns′2分别为变压器t′绕组在磁芯i柱和ii柱上的原、副边绕组匝数；np1ip和nsis分别为变压器t的原边和副边绕组产生的磁动势；np′11ip′和ns′1is′，np′12ip′和ns′2is′分别为变压器t′在磁芯i柱和ii柱的原、副边绕组产生的磁动势；r1、r2和r3分别为i柱、ii柱和iii柱的等效磁阻；φt是变压器t产生的磁通量；φt′1和φt′2分别为变压器t′的一次绕组和二次绕组在磁芯i和ii上产生的磁通；φ1，φ2，φ3分别为磁芯i、ii、iii在各绕组共同作用下产生的磁通；

33、根据叠加定理可以推导出绕组共同作用下产生的磁通量如式(10)所示：

34、

35、根据法拉第电磁感应定律，变压器t一次绕组电压up、二次绕组电压us和变压器t′一次绕组电压up′、二次绕组电压us′表示为式(11)，结合式(9)～(11)得式(12)；

36、

37、

38、式中：“m”表示两绕组之间的互感系数，“l”表示绕组的自感系数；

39、当绕在磁芯边柱上的原副边绕组分成匝数相同的两部分时，满足式(13)，进一步得到式(14)，两路输出在变压器上不存在耦合关系；

40、

41、

42、式中：“k”表示变压器绕组之间的耦合系数。

43、进一步地，为验证磁解耦变压器在工作中不会出现磁芯饱和的情况，根据式(15)确定两组变压器原副边绕组的匝数，并根据(16)检验绕组能否合理在磁芯中绕下；

44、

45、

46、式中：f1、f2为两路输出的工作频率，aⅰ(ⅱ)、aⅲ为磁芯ⅰ(ⅱ)柱和ⅲ柱的截面积，b1,max、b2,max分别为磁芯ⅰ柱和ⅱ柱的最大工作磁通密度，rp1，rs和rp′11，rs′1分别为两组变压器原、副边绕组半径，aw为磁芯窗口面积，ku为磁芯窗口填充系数。

47、本发明的有益效果是：

48、本发明、通过在ee型磁芯的变压器中，在磁芯中柱上缠绕一组变压器的原副边绕组，另外一组变压器原副边绕组缠绕在磁芯两侧的侧柱上，磁芯的三个磁柱同时开气隙。通过特殊的绕线方式，结果为绕在中柱上的变压器绕组产生的磁通中流过磁芯左侧边柱的部分和流过磁芯右侧边柱的部分大小相等、方向相反，从而使中柱绕组产生的磁通在侧柱绕组上产生的感应电压会相互抵消；绕在两侧柱上的变压器绕组产生的磁通流过中柱的方向相反、大小相等，从而抵消了两侧柱变压器绕组对中柱的影响。最终两组变压器绕组在工作中互不影响，实现了两路输出之间的磁解耦，使两路输出电压都能单独得到控制，从根本上消除了多路输出变换器存在的交叉调整率问题。

49、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。