适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元

本发明涉及一种适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元。

背景技术：

1、作为满足碳达峰要求的国家发展战略产业--光伏能源发电，目前亟须解决系统内部电能转换装置需要高转换效率及高功率密度开关电源的难题。传统开关电源多采用一个或多个不规范的中间总线转换器和电压调节模块的组合模式，难以满足核心电压功率密度迅速增加的需求。

2、混合开关电容变流器通过对hsc(hybrid switched capacitor)变流器和buck变流器进行“输入串联、输出并联”的排列方式，在输出可调节的同时，还能实现高效率和高功率密度。然而该混合开关电容变流器使用了大量体积庞大、重量笨重、布局分散的分立电磁元件，其不足之处在于：

3、(1) 占有显著的体积和重量；

4、(2) 数量众多且规格不同，空间利用率低；

5、(3) 高频下，分立元件的寄生参数以及电路板布线对开关电源的工作特性会产生不利影响。

6、薄膜集成基本单元是利用薄膜导体作为电感或变压器的绕组、再将薄膜电介质插入两层薄膜导体之间以实现电容，从而实现感性元件和容性元件共享同一空间。

技术实现思路

1、为了解决光伏能源混合开关电容变流器的上述痛点，本发明提供一种结构优化、布局紧凑、成本低的适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元。

2、本发明解决上述问题的技术方案是：适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，包括第一集成薄膜绕组、第二集成薄膜绕组、第三集成薄膜绕组、第四集成薄膜绕组、第一i型磁芯、第一e型磁芯和第二e型磁芯；第一e型磁芯位于第一i型磁芯上方且与第一i型磁芯相对接触设置、第二e型磁芯位于第一i型磁芯下方且与第一i型磁芯相对接触设置，同时第二e型磁芯左、右磁柱与第一i型磁芯之间都设有气隙；第一集成薄膜绕组、第二集成薄膜绕组分别绕制在第一e型磁芯的左、右磁柱上；第三集成薄膜绕组、第四集成薄膜绕组分别绕制在第二e型磁芯的左、右磁柱上。

3、上述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，所述第一集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第一薄膜绝缘体、第一薄膜导体、第一薄膜电介质、第二薄膜导体、第二薄膜绝缘体、第三薄膜导体、第二薄膜电介质和第四薄膜导体。

4、上述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，所述第二集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第三薄膜绝缘体、第五薄膜导体、第三薄膜电介质、第六薄膜导体、第四薄膜绝缘体、第七薄膜导体、第四薄膜电介质和第八薄膜导体。

5、上述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，所述第三集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第五薄膜绝缘体、第九薄膜导体、第五薄膜电介质、第十薄膜导体、第六薄膜绝缘体和第十一薄膜导体。

6、上述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，所述第四集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第七薄膜绝缘体、第十二薄膜导体、第六薄膜电介质、第十三薄膜导体、第八薄膜绝缘体和第十四薄膜导体。

7、上述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，所述第一薄膜导体左端接口分别与第三薄膜导体右端接口、第二开关管源极和第四开关管漏极共同连接在一起，其右端接口悬空不接入电路；所述第二薄膜导体左端接口悬空不接入电路，其右端接口分别与第四薄膜导体左端接口、第十薄膜导体左端接口、第十一薄膜导体左端接口和第三开关管漏极共同连接在一起；所述第三薄膜导体左端接口悬空不接入电路；所述第四薄膜导体右端接口悬空不接入电路；所述第五薄膜导体左端接口悬空不接入电路，其右端接口分别与第七薄膜导体左端接口、第六开关管源极和第八开关管漏极共同连接在一起；所述第六薄膜导体左端接口与第八薄膜导体右端接口、第十三薄膜导体右端接口、第十四薄膜导体右端接口和第七开关管漏极共同连接在一起，其右端接口悬空不接入电路；所述第七薄膜导体右端接口悬空不接入电路；所述第八薄膜导体左端接口悬空不接入电路；所述第九薄膜导体左端接口悬空不接入电路，其右端接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；所述第十薄膜导体右端接口悬空不接入电路；所述第十一薄膜导体右端接口分别与第十四薄膜导体左端接口、输出滤波电容上端、负载上端和滤波电感一端共同连接在一起；所述第十二薄膜导体左端接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，其右端接口悬空不接入电路；所述第十三薄膜导体左端接口悬空不接入电路；第一开关管漏极与第五开关管漏极均连接电源 v in；第三开关管源极、输出滤波电容下端、负载下端、第七开关管源极均接地；第四开关管源极、滤波电感另一端、第八开关管源极共同连接在一起。

8、上述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，电流流过第一薄膜导体所形成的磁通与流过第三薄膜导体所形成的磁通大小相等、方向相反、相互抵消；所述第一薄膜导体、第一薄膜电介质、第二薄膜导体共同构成第一隔直电容；所述第三薄膜导体、第二薄膜电介质、第四薄膜导体共同构成第二隔直电容；电流流过第五薄膜导体所形成的磁通与流过第七薄膜导体所形成的磁通大小相等、方向相反、相互抵消；所述第五薄膜导体、第三薄膜电介质、第六薄膜导体共同构成第三隔直电容；所述第七薄膜导体、第四薄膜电介质、第八薄膜导体共同构成第四隔直电容；所述第九薄膜导体、第五薄膜电介质、第十薄膜导体共同构成第一谐振电容；所述第十薄膜导体构成第一变压器原边；所述第十一薄膜导体构成第一变压器副边；所述第十二薄膜导体、第六薄膜电介质、第十三薄膜导体共同构成第二谐振电容；所述第十三薄膜导体构成第二变压器原边；所述第十四薄膜导体构成第二变压器副边。

9、上述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，所述第一集成薄膜绕组的电路模型为由第一隔直电容与第二隔直电容并联形成的第五隔直电容；所述第二集成薄膜绕组形成的电路模型为由第三隔直电容与第四隔直电容并联形成的第六隔直电容；所述第三集成薄膜绕组形成的电路模型为第一谐振电容、第一变压器原边和第一变压器副边；所述第四集成薄膜绕组形成的电路模型为第二谐振电容、第二变压器原边和第二变压器副边。

10、本发明的有益效果在于：本发明从实际出发，提出一种适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其采用集成薄膜技术创制的四个绕组，将两个隔直电容、两个谐振电容、两个变压器集成在一组e-i-e型磁芯结构中，有效缩减了电磁功率元件体积和重量、优化变流器性能、简化电路设计并缩减制造成本，有效满足碳达峰下光伏能源发电所需高转换效率、高功率密度、模块化和集成化的电能转换装置的战略需求。

技术特征：

1.一种适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：包括第一集成薄膜绕组、第二集成薄膜绕组、第三集成薄膜绕组、第四集成薄膜绕组、第一i型磁芯、第一e型磁芯和第二e型磁芯；第一e型磁芯位于第一i型磁芯上方且与第一i型磁芯相对接触设置、第二e型磁芯位于第一i型磁芯下方且与第一i型磁芯相对接触设置，同时第二e型磁芯左、右磁柱与第一i型磁芯之间都设有气隙；第一集成薄膜绕组、第二集成薄膜绕组分别绕制在第一e型磁芯的左、右磁柱上；第三集成薄膜绕组、第四集成薄膜绕组分别绕制在第二e型磁芯的左、右磁柱上。

2.根据权利要求1所述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：所述第一集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第一薄膜绝缘体、第一薄膜导体、第一薄膜电介质、第二薄膜导体、第二薄膜绝缘体、第三薄膜导体、第二薄膜电介质和第四薄膜导体。

3.根据权利要求2所述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：所述第二集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第三薄膜绝缘体、第五薄膜导体、第三薄膜电介质、第六薄膜导体、第四薄膜绝缘体、第七薄膜导体、第四薄膜电介质和第八薄膜导体。

4.根据权利要求3所述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：所述第三集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第五薄膜绝缘体、第九薄膜导体、第五薄膜电介质、第十薄膜导体、第六薄膜绝缘体和第十一薄膜导体。

5.根据权利要求4所述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：所述第四集成薄膜绕组包括从里到外依次套设的第七薄膜绝缘体、第十二薄膜导体、第六薄膜电介质、第十三薄膜导体、第八薄膜绝缘体和第十四薄膜导体。

6.根据权利要求5所述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：所述第一薄膜导体左端接口分别与第三薄膜导体右端接口、第二开关管源极和第四开关管漏极共同连接在一起，其右端接口悬空不接入电路；所述第二薄膜导体左端接口悬空不接入电路，其右端接口分别与第四薄膜导体左端接口、第十薄膜导体左端接口、第十一薄膜导体左端接口和第三开关管漏极共同连接在一起；所述第三薄膜导体左端接口悬空不接入电路；所述第四薄膜导体右端接口悬空不接入电路；所述第五薄膜导体左端接口悬空不接入电路，其右端接口分别与第七薄膜导体左端接口、第六开关管源极和第八开关管漏极共同连接在一起；所述第六薄膜导体左端接口与第八薄膜导体右端接口、第十三薄膜导体右端接口、第十四薄膜导体右端接口和第七开关管漏极共同连接在一起，其右端接口悬空不接入电路；所述第七薄膜导体右端接口悬空不接入电路；所述第八薄膜导体左端接口悬空不接入电路；所述第九薄膜导体左端接口悬空不接入电路，其右端接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；所述第十薄膜导体右端接口悬空不接入电路；所述第十一薄膜导体右端接口分别与第十四薄膜导体左端接口、输出滤波电容上端、负载上端和滤波电感一端共同连接在一起；所述第十二薄膜导体左端接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，其右端接口悬空不接入电路；所述第十三薄膜导体左端接口悬空不接入电路；第一开关管漏极与第五开关管漏极均连接电源vin；第三开关管源极、输出滤波电容下端、负载下端、第七开关管源极均接地；第四开关管源极、滤波电感另一端、第八开关管源极共同连接在一起。

7.根据权利要求5所述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：电流流过第一薄膜导体所形成的磁通与流过第三薄膜导体所形成的磁通大小相等、方向相反、相互抵消；所述第一薄膜导体、第一薄膜电介质、第二薄膜导体共同构成第一隔直电容；所述第三薄膜导体、第二薄膜电介质、第四薄膜导体共同构成第二隔直电容；电流流过第五薄膜导体所形成的磁通与流过第七薄膜导体所形成的磁通大小相等、方向相反、相互抵消；所述第五薄膜导体、第三薄膜电介质、第六薄膜导体共同构成第三隔直电容；所述第七薄膜导体、第四薄膜电介质、第八薄膜导体共同构成第四隔直电容；所述第九薄膜导体、第五薄膜电介质、第十薄膜导体共同构成第一谐振电容；所述第十薄膜导体构成第一变压器原边；所述第十一薄膜导体构成第一变压器副边；所述第十二薄膜导体、第六薄膜电介质、第十三薄膜导体共同构成第二谐振电容；所述第十三薄膜导体构成第二变压器原边；所述第十四薄膜导体构成第二变压器副边。

8.根据权利要求5所述适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，其特征在于：所述第一集成薄膜绕组的电路模型为由第一隔直电容与第二隔直电容并联形成的第五隔直电容；所述第二集成薄膜绕组形成的电路模型为由第三隔直电容与第四隔直电容并联形成的第六隔直电容；所述第三集成薄膜绕组形成的电路模型为第一谐振电容、第一变压器原边和第一变压器副边；所述第四集成薄膜绕组形成的电路模型为第二谐振电容、第二变压器原边和第二变压器副边。

技术总结本发明公开了一种适用于光伏能源混合开关电容变流器的集成薄膜单元，包括第一至第四集成薄膜绕组、第一I型磁芯、第一E型磁芯和第二E型磁芯；第一、第二E型磁芯分别位于第一I型磁芯上、下方；第一、第二集成薄膜绕组分别绕制在第一E型磁芯的左、右磁柱上；第三、第四集成薄膜绕组分别绕制在第二E型磁芯的左、右磁柱上。本发明从实际出发采用集成薄膜技术创制的四个绕组，将两个隔直电容、两个谐振电容、两个变压器集成在一组E‑I‑E型磁芯结构中，有效缩减了电磁功率元件体积和重量，能有效满足碳达峰下光伏能源发电所需高转换效率、高功率密度、模块化和集成化的电能转换装置的战略需求。技术研发人员：邓成,魏银波受保护的技术使用者：邵阳学院技术研发日：技术公布日：2024/8/1