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20MHz高频隔离型DC-DC谐振变换器及空芯变压器优化设计

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更新日期：2021-02-02 10:10
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详细介绍

高频化是功率变换器发展的趋势，本文采用理论推导与频域分析相结合，对一种20MHz Class Φ2高频隔离型功率变换器展开研究。分析了变换器的工作原理，设计了电路参数，使主开关管和整流管都具有软开关特性，降低了变换器的开关损耗。

近年来，工业界消费类电子产品对轻量化、高效率和高可靠性的功率变换器的迫切需求，促使功率变换器往MHz级开关频率发展。功率变换器的高频化减小了每个开关周期存储的能量，从而减小了变换器无源元件的体积和重量，极大地提高了功率密度^[1]。新型开关器件（如GaN、SiC）的研发和应用也使功率变换器小型化成为可能。由于传统的磁芯在高频下具有极高损耗和难以集成等缺点，空芯电感以及空芯变压器以其体积小，易集成等优点成为了高频下磁性元件的更好选择。但高频下对空芯变压器设计要求严格，特别是寄生参数和绕组损耗成为制约空芯变压器应用的主要阻碍^[2]。

本文针对一种ClassΦ₂高频隔离型变换器展开研究，首先通过理论推导和频域分析相结合的方式，分析了该变换器的工作原理，设计了电路参数，使主开关管和整流管都具有软开关特性，从而降低了变换器的开关损耗；其次为满足逆变器参数需求并降低变压器的交流损耗，利用多岛遗传算法（GA算法）对空芯变压器进行多目标优化设计，进一步提高了系统效率；最后搭建了一台工作频率20MHz，输入18V，输出5V/20W的样机，实验结果验证了理论分析的可行性。

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