柔性多層帶材集成技術的應用

溫志偉 鄧成

（1.易事特集體股份有限公司 廣東省東莞市 523808 2.邵陽學院 湖南省邵陽市 422004）

1 引言

近十年，全球光伏發電量一直在迅速增加：2021年光伏發電裝機容量已經達到714 GW[1]。與其他儲能系統技術相比，電池存儲系統具有響應時間快、效率高、能量密度高等優勢[2]。文獻[3]～[4]提出了具有分布式電池儲能的光伏電池系統，然而該種系統僅適用于電網電壓由其他方式調節的情況。為此，文獻[5]提出了一種新型光伏-電池儲能一體化變流器，如圖1所示。然而，由于該新型集成系統中包含大量的磁性元件占據了大部分體積，限制了整個變流器功率密度的進一步提高。

近年來，作為一個研究熱點--柔性多層帶材(flexible multilayer foil, FMLF)集成技術是一種獲得高功率密度的有效方法。在文獻[6]中，使用FMLF集成技術將EMI濾波器的體積減少45%。

針對光伏-電池儲能一體化變流器，本文采用FMLF集成技術將一個變壓器、兩個諧振電感和一個儲能電感全部集成在一組E-E-E磁芯結構中。

首先，本文詳細介紹了該新型磁集成單元的組成原理和端口連接方式，然后給出了其設計流程和參數計算公式，最后通過建立一臺175W-200kHz光伏-電池儲能一體化變流器的Maxwell/Ansoft仿真模型和試驗樣機驗證了本文所提出新型磁集成單元的有效性和正確性。

2 組成結構

為使四個感性元件全部集成在一組E-E-E型磁芯中，本文利用FMLF集成技術，分別設計了兩類FMLF集成帶材結構：

（1）電感集成帶材結構F1（如圖2所示）：只由導體薄膜和絕緣薄膜組成，作為電感使用。

（2）變壓器集成帶材結構F2（如圖3所示）：由第一、第二導體薄膜和絕緣薄膜組成，作為變壓器原副邊使用。

如圖4所示，F1和F2兩類帶材分別繞制在E-E-E型磁芯的左、右邊柱上用于構成四個繞組W1～W4，并按照以下連接方式接入了電路：

1.繞組W1采用F2型帶材結構，第一導體薄膜左端口連接到濾波電容C1正極c，其右端口連接到開關管S1漏極d，使得第一導體薄膜構成變壓器原邊；將第二導體薄膜左端口連接到二極管Dbat陽極a，其右端口連接到濾波電容Cbat負極b，使得第二導體薄膜構成變壓器副邊。

2.繞組W2采用F1型帶材結構，導體薄膜左端口連接到開關管S1漏極d，其右端口連接到開關管S2的源極g，用于構成諧振電感。

表1：工作條件

圖1：光伏-電池儲能一體化變流器拓撲

圖2：電感集成帶材F1結構及其等效電路

3.繞組W3采用F1型帶材結構，導體薄膜左端口連接到開關管Sbat源極e，其右端口連接到開關管S1的源極f，用于構成諧振電感Lrb。

圖3：變壓器集成帶材F2結構及其等效電路

圖4：本文所提的磁集成單元及其連接方式

圖5：E19/8/9磁芯尺寸（單位：mm）

圖6：設計流程

4.繞組W4采用F1型帶材結構，導體薄膜左端口連接到開關管S1的源極f，其右端口連接到二極管D1的正極h，用于構成諧振電感Lb。

為了避免磁通飽和，磁芯E1和E2左右邊柱之間，磁芯E2和E3左右邊柱之間均設有氣隙。由于氣隙磁阻要遠大于磁芯磁阻，繞組W1的磁通多數都從E1和E2的中柱流回，僅有少量流入繞組W2～W4。類似地，繞組W2～W4的磁通也如此，從而可以實現四個繞組磁通相互解耦。

最終，通過利用共享低阻磁路的方式，光伏-電池儲能一體化變流器中的變壓器T、諧振電感Lr、諧振電感Lrb和儲能電感Lb四個磁性元件被集成到一組E-E-E磁芯結構當中。

3 參數設計

按照表1所示光伏-電池儲能一體化變流器的工作條件，所提磁集成單元的設計流程如圖6所示。

第1步：相比其它鐵氧體材料，3C94 (FERROXCUBE，μr=2300，Bsat=0.47T)具有更為優良的性能，因此，本文選取它作為所提磁集成裝置的磁性材料。按照AP計算方法，選取E19/8/9作為鐵氧體磁芯的型號，其有效截面積Ae為14.31mm2，其尺寸如圖5所示。

第2步：原邊繞組匝數Npri可按下式進行計算：

其中，Vpri為原邊電壓，kV是波形系數，fsw是開關頻率。

副邊繞組匝數Nsec可通過下式進行計算：

圖7：磁集成單元樣機

圖8：繞組W1磁通

圖9：繞組W2磁通

其中，Vsec為副邊電壓。

為了防止磁通飽和，諧振電感Lr、Lrb和儲能電感Lb的匝數Nr、Nrb和Nb可以通過下式推導得出：

其中，Nr、Nrb、Nb分別是各電感繞組匝數，RLr、RLrb、RLb分別是各電感磁通回路磁阻，le_Lr、le_Lrb、le_Lb分別是各電感磁通的長度，Imax_r、Imax_rb、Imax_b分別為Lr、Lrb、Lb的最大工作電流。

為了防止磁通飽和，氣隙lG2、lG3和lG4的高度通過下式推導得出：

表2：試驗樣機結構參數

其中，μ0為空氣磁導常數。

變壓器磁芯氣隙長度lG1由如下公式計算得出：

其中，Ipri_max為原邊最大工作電流，Rpri為原邊磁通回路的磁阻，le_pri為原邊磁通的磁路長度。

最終，lG1～lG4的計算值分別為0.46mm、0.33mm、0.31mm和0.25mm。

第3步：如圖5所示，由于受到磁芯窗口高度的限制，W1(變壓器T)導體薄膜高度hT和W2(諧振電感Lr)導體薄膜高度hLr均設置為10mm，W3(諧振電感Lrb)導體薄膜高度hLrb和W4(儲能電感Lb)導體薄膜高度hLb均設置為5mm。若電流安全密度取經驗值ks=10A/mm2，則W1(變壓器T)、W2(諧振電感Lr)、W3(諧振電感Lrb)和W4(儲能電感Lb) 導體薄膜厚度tpri、tsec、tLr、tLrb和tLb可按下式進行計算：

經計算，W1和W2導體薄膜厚度為35μm，W3和W4導體薄膜厚度為80μm。

第4步：用于絕緣的絕緣薄膜厚度tins約為60μm，由于手工制作的原因，每兩層材料之間不可避免的存在約為10μm的氣隙tair。因此，繞組W1～W4的總厚度TLb、TLrb、TLr和TT的計算如下：

最終可以得到，TLb為0.68mm、TLrb為2.2mm、TLr為3.0mm，TT為4.66mm，均小于磁芯窗口寬度5mm。可見本設計能夠滿足要求。

4 仿真實驗和樣機驗證

圖10：繞組W3磁通

圖11：繞組W4磁通

圖12：繞組W1～W4總磁通

為了驗證本文所提磁集成裝置的正確性，根據表1所列工作條件和上述計算公式，可以得出如表2所列試驗樣機結構參數，并制作了一臺如圖7所示的試驗樣機。通過比較試驗樣機的理論值和實際值，可以得出設計流程和參數計算公式的正確性。此外，還通過Ansoft/Maxwell仿真軟件搭建了試驗樣機的仿真模型。

（1）圖8給出了繞組W1(變壓器T)的磁通密度。W1中的磁通密度約為0.35T，低于飽和磁通密度0.47T；由于氣隙lG2、lG3和lG4的存在，流經繞組W2的和磁芯E3的磁通量約為5×10-6T，因而可以忽略。

（2）圖9給出了繞組W2(諧振電感Lr)的磁通密度。W2的磁通密度約為0.38T低于飽和磁通密度0.47T；由于氣隙的存在，流經W1和E3的磁通量約為5×10-6Wb，可忽略不計。

（3）圖10和圖11給出了繞組W3(諧振電感Lrb)和繞組W4(儲能電感Lb)的磁通密度。這兩者的磁通密度均約為0.38T都低于飽和通磁密度0.47T；同理，由于氣隙的存在，互相之間流通的磁通密度都約為5×10-6T，從而可以忽略不計。

（4）如圖12所示，當四個繞組同時工作時，最大磁通密度為0.38T，低于所選磁芯的飽和磁通密度0.47T。上述仿真結果，驗證了磁集成裝置磁通分析的正確性和有效性。

5 結論

為了提高光伏-電池儲能一體化變流器的功率密度，利用FMLF集成技術提出了一種將一個變壓器、一個諧振電感、一個電池諧振電感和一個儲能電感集成在一組E-E-E磁芯結構中的磁集成單元。此外，詳細介紹了所提磁集成單元的組成原理、磁通分析、設計原理和計算公式。最后，針對一臺175W-200kHz光伏-電池儲能軟開關功率變換器，搭建了一臺試驗樣機并通過建立基于Maxwell/Ansoft的仿真模型，驗證了本文所提出新型磁集成單元的有效性和正確性。