CN101567255A - 适用于多相交错并联变换器的耦合电感 - Google Patents
适用于多相交错并联变换器的耦合电感 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的适用于多相交错并联变换器的耦合电感，其结构主要由两相绕组组成的反向耦合变压器和储能电感组合而成，对于n相交错并联变换器，其中的反向耦合变压器个数为n－1或n或n(n－1)/2个，其连接关系分别为中心式或首尾闭合式或两两组合式，其中的储能电感与反向耦合变压器中的至少一相绕组串联连接，储能电感的绕组个数为1～n个，储能电感的各相绕组相互独立或正向耦合。通过对储能功能和滤波功能的拆分，使其分别由储能电感和反向耦合变压器承担，能有效避免多磁路磁芯中储能功能和滤波功能之间的固有矛盾，进一步减小了磁件损耗和体积，提高了变换器功率密度、变换效率、以及输出动态性能，适合多相交错并联变换器使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于多相交错并联变换器中使用的耦合电感，属于电感器或电压变换领域。
背景技术
在开关电源中，滤波电感起了滤波和储能的功能，具有十分重要的作用，但这两种功能存在着矛盾关系：在保证滤波电感匝数和最大磁通不变的前提下，若流过的平均电流越大，则要求磁芯磁阻越大，即滤波电感感值越小，而若要提高滤波能力，则要求滤波电感感值增大。为了缓和这两种矛盾，通常采用保持磁阻不变、增大有效导磁面积，即增加磁件体积的方法。该矛盾在同时承担滤波和储能功能的电感中总是存在。
而近年来，随着全球性的资源短缺，电力电子技术的发展不光要提高变换器的电气性能，还要尽量降低材料的消耗。耦合的电感和交错并联技术是减小磁件的体积、材料的消耗，提高变换器的功率密度有效手段，在Buck、Boost、Forward、Flyback、半桥变换器、隔离式全桥变换器等多种变换器和电压调整器(Voltage Regulator，VR)、功率因数校正器、车载电源、燃料电池供电系统、光-伏发电系统等多种场合中得到了广泛的应用。
对于两相交错并联变换器，电感的耦合方式可分为正向耦合和反向耦合两种。Pit-Leong Wong，Peng Xu，P.Yang and F.C.Lee.PerformanceImprovements of Interleaving VRMs with Coupling Inductors.IEEE Trans.onPower Electronics，2001，16(4)：499-507.针对这两种耦合方式做了详细的分析和比较，指出反向耦合方式可以增大稳态等效电感、减小动态等效电感，符合变换器的稳态低纹波、动态快响应的要求，适合于VRM等快动态响应要求的场合。
为了将反向耦合方式应用于多相交错并联变换器，提高变换器稳态性能与动态性能，Zumel P，Garcia O，Cobos J.A，Uceda J.Magnetic Integration forInterleaved Converters.Proc.IEEE APEC，2003：1143-1149.提出采用一副多磁路磁芯来实现所有电感的集成，减小了磁芯体积，但是这种耦合方式的磁芯仍然同时承担储能和滤波的功能，存在着两种功能的固有矛盾，这制约了体积的进一步优化。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有的多相交错并联变换器中使用的多磁路磁芯中储能功能和滤波功能之间的固有矛盾导致磁件体积较大的缺点，提供一种能在保证反向耦合的基础上，将磁件中的储能功能和滤波功能分开，分别由不同的磁性元件实现，能分别对磁性元件进行优化设计，大大减小磁件的体积的适合于多相交错并联变换器的耦合电感。
本发明的适合于多相交错并联变换器的耦合电感，其结构主要由两相绕组组成的反向耦合变压器和储能电感组合而成，对于n相交错并联变换器，其中的反向耦合变压器个数为n-1或n或n(n-1)/2个，其连接关系分别为中心式或首尾闭合式或两两组合式，所述中心式为选取一相拆分、串联，其它各相均与该相绕组构成反向耦合变压器；所述首尾闭合式为将每相绕组拆分为2个绕组串联，相邻两相绕组构成反向耦合变压器，依次组合形成闭环连接；所述两两组合式为每相绕组拆分为n-1个绕组串联，任意两相绕组构成反向耦合变压器，其中的储能电感与反向耦合变压器中的至少一相绕组串联连接，储能电感的绕组个数为1～n个，储能电感的各相绕组相互独立或正向耦合。
所述反向耦合变压器包括铁心、各相绕组NTn(n＝1，2，3...n)，铁心可选用铁氧体、微晶、超微晶等高频铁磁材料；储能电感包括铁心、各相绕组NLn(n＝1，2，3...n)，铁心滤可选用铁氧体、微晶、超微晶、铁粉芯等多种铁磁材料，绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组来实现。
本发明与传统的多磁柱耦合电感相比的主要技术特点是，通过调整反向耦合变压器的匝比和励磁电感与储能电感感值，可使得反向耦合变压器中不含有直流磁通，不承担储能功能，从而可以减小其体积。同时反向耦合变压器表现为随驱动信号变化的电压源，且该电压源总是减小滤波电感两端的压降，这使得储能电感的电流脉动和交流磁通大大减小，从而可以减小储能电感的磁件损耗和磁件体积。
本发明的适合于多相交错并联变换器的耦合电感，满足了反向耦合关系，通过对储能功能和滤波功能的拆分，使其分别由储能电感和反向耦合变压器承担，能有效避免多磁路磁芯中储能功能和滤波功能之间的固有矛盾，进一步减小了磁件损耗和体积，提高了变换器功率密度、变换效率、以及输出动态性能，适合多相交错并联变换器使用。
附图说明
附图1本发明的中心式反向耦合变压器的一种连接关系图；
附图2是本发明的首尾闭合式反向耦合变压器的连接关系图；
附图3是本发明的两两组合式反向耦合变压器的连接关系图；
附图4是本发明所涉及的采用图1的中心式反向耦合变压器1与各相支路分别串联一个相互独立的储能电感2的组合方式，图中，b1、b2、b3、bn为中间节点，NT1、NT2、NT3...NTn为反向耦合变压器的各相绕组，L为各相储能电感的感值；
附图5是本发明所涉及的采用图1的中心式反向耦合变压器1与某一相串联一个储能电感2的组合方式，图中，b’为中间节点，NT1′、NT2′、NT3′...NTn′为反向耦合变压器的各相绕组，L′为储能电感的感值；
附图6是本发明所涉及的采用图1的中心式反向耦合变压器1与n个正向耦合的储能电感2的组合方式，图中，b1、b2、b3、bn为中间节点，NT1″、NT2″、NT3″...NTn″为反向耦合变压器的各相绕组，L″为各相储能电感的自感值。
附图7是本发明的耦合电感实际用于多相交错并联Boost变换器的电路结构示意图，图中，b1、b2、b3、bn为中间节点，NT1、NT2、NT3...NTn为反向耦合变压器1的各相绕组，L为各相储能电感2的感值，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Cf为输出滤波电容，D1、D2、D3...Dn为续流二极管，Q1、Q2、Q3...Qn为主开关管。
附图8是本发明的耦合电感实际用于两相交错并联Boost变换器的电路结构示意图，图中，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Cf为输出滤波电容，D1、D2为续流二极管，Q1、Q2为主开关管，Lm为反向耦合变压器1的励磁感感值，Ls为储能电感2的感值，iin为输入电流，i1为支路1的电流，i2为支路2的电流。
上述附图中的主要符号名称：a为该耦合电感的输入/输出端子，c1、c2、c3、cn分别为该耦合电感的输出/输入端子，Ti，j(i，j＝1，2，3，...n)为反向耦合变压器。
具体实施方式
附图非限制性公开了本发明的几个具体实施例，结合附图对本发明作进一步描述如下。
本发明的实施例1，参照附图1，是中心式反向耦合变压器示意图。支路3的变压器绕组被拆分成n-1份，与其余的n-1相支路构成n-1个反向耦合变压器，“＊”为同一个反向耦合变压器的两相绕组的同名端。
本发明的实施例2，参照附图2，是首尾闭合式反向耦合变压器示意图。每相绕组被拆分为2个绕组串联，相邻两相绕组构成反向耦合变压器，依次组合形成闭环连接，其反向耦合变压器的数量为n个。
本发明的实施例3，参照附图3，是两两组合式反向耦合变压器。每相绕组拆分为n-1个绕组串联，任意两相绕组构成反向耦合变压器，其反向耦合变压器的数量为n(n-1)/2个。
本发明的实施例4，参照附图4，是由中心式反向耦合变压器1与各相支路分别串联一个相互独立的储能电感2组合而成的耦合电感。NT1、NT2、NT3...NTn为变压器的各相绕组，L为各相储能电感的感值。各反向耦合变压器Ti，j(i，j＝1，2，3...n)匝比为1∶1，励磁电感感值为Lm。
本发明的实施例5，参照附图5，是由中心式反向耦合变压器1与某一相串联一个储能电感2组合而成的耦合电感。图中储能电感2位于第三相支路3，NT1′、NT2′、NT3′...NTn′为变压器的各相绕组，L′为储能电感的感值，变压器励磁电感感值为Lm′。根据端口网络关系，附图5所示电路可由附图4等效变换而来，当各反向耦合变压器匝比NTk′(k＝1，2，4...n)∶NT3′＝Lm/(L+Lm)、Lm′＝L+Lm、L′＝(L2+nLmL)/(L+Lm)时，附图4和附图5所示电路的电气性能完全相同。
本发明的实施例6，参照附图6，是由中心式反向耦合变压器1与n个正向耦合的储能电感2组合而成的耦合电感。NT1″、NT2″、NT3″...NTn″为反向耦合变压器的各相绕组，L″为各相储能电感的自感值，Lm″为变压器励磁电感感值。根据端口网络关系，附图6所示电路可由附图4等效变换而来，当各反向耦合变压器匝比等于1∶1、Lm″＝Lm、L″＝L/n时，附图6和附图3所示电路的电气性能完全相同。
对于首尾闭合式和两两组合式反向耦合变压器，其与储能电感的组合关系与实施例4-6相同。
本发明的实施例7，参照附图7，是本发明的耦合电感实际用于多相交错并联Boost变换器的电路示意图，图中各相支路开关管Q1、Q2、Q3...Qn的驱动信号相差360/n度。
本发明的实施例8，参照附图8，是本发明的耦合电感实际用于两相交错并联Boost变换器的一个具体实施例，图中开关管Q1、Q2的驱动信号相差180度，如变换器设计要求为：输入电压Vin＝80～375VDC，输出电压Vout＝390VDC，额定输出功率Pout＝1kW，开关频率fs＝100kHz，最大电感电流脉动为最大平均电感电流的25％。采用本发明耦合电感时，其设计结果如下：反向耦合变压器选用铁氧体磁芯TX39/20/13，绕组匝数为45匝，励磁电感的感值为1.74mH，匝比为1∶1；储能电感选用铁粉芯77934，绕组匝数为40匝，储能电感感值为174μH。在相同的指标下，若采用传统的三磁柱耦合电感，其设计结果如下：磁芯选用铁氧体磁芯EE55/28/21，绕组匝数为48匝。经比较，电气性能相同时，本发明耦合电感的磁芯的体积和重量仅为传统三磁柱耦合电感的40％。
Claims (1)
1、一种适合于多相交错并联变换器的耦合电感，其特征在于包括由两相绕组组成的反向耦合变压器和储能电感组合而成，对于n相交错并联变换器，其中的反向耦合变压器个数为n-1或n或n(n-1)/2个，其连接关系分别为中心式或首尾闭合式或两两组合式，所述中心式为选取一相拆分、串联，其它各相均与该相绕组组成反向耦合变压器；所述首尾闭合式为将每相绕组拆分为2个绕组串联，相邻两相绕组构成反向耦合变压器，依次组合形成闭环连接；所述两两组合式为每相绕组拆分为n-1个绕组串联，任意两相绕组构成反向耦合变压器，其中的储能电感与反向耦合变压器中的至少一相绕组串联连接，储能电感的绕组个数为1～n个，储能电感的各相绕组相互独立或正向耦合。
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