CN102570863A - 基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子集成技术，是基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，它采用无源集成理论将变压器、滤波电感和双倍压整流电容进行集成，构成电力电子通用无源集成模块；本无源集成模块同时实现变压器的升压功能、倍压整流的整流和双倍压功能，同时集成滤波电感绕组与双倍压整流电容还可构成滤波电路，完成滤波功能；在实现上述电气功能外，本无源集成模块将变压器、电感和电容集成在一个无源器件上，减小了无源器件的体积、降低了高度，进而提高了功率密度。本发明的无源集成模块不仅可用于电力电子变换器中的升压环节，还可用于对体积和空间有严格要求的领域，如卫星、空间站、无人飞机、电动汽车等高科技领域。

Description

基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块

技术领域

本发明涉及电力电子无源集成模块，是一种用于电力电子升压场合，具有升压、滤波、倍压等电气功能的高功率密度通用无源集成模块。

背景技术

1997年，美国首先提出了电力电子积木（PEBB）的概念。电力电子积木的概念主张在舰船和飞机上使用标准化的电力电子单元，一台电力电子装置将由许多这样的电力电子单元装配而成。由于标准化和模块化的设计，电力电子装置的维护变得非常方便，只要将出现故障的基本电力电子单元更换掉即可。这就是“电力电子集成”概念的雏形。

1998年，美国电力电子系统中心（CPES）对电力电子装置和系统作了充分的比较之后正式提出了“电力电子集成”的技术概念。“电力电子集成”概念的核心是研制集成的电力电子模块（IPEM）。概念化的IPEM是一个三维结构的模块，它拥有很高的功率密度和优良的电气性能，集成了主电路、驱动和控制电路、传感器以及磁元件等无源元件。

目前，实现完全集成的电力电子模块是非常困难的，所以学术界将电力电子集成分为有源集成和无源集成两种并分别进行研究。有源集成主要实现功率器件、驱动控制电路和传感器等有源部件的集成。无源集成主要实现磁元件、电容器等无源元件的集成。其中，无源元件的体积对电源装置的体积、质量的影响最大。因此，为了提高电源整体的功率密度，也有必要对无源元件进行集成。由于与功率半导体器件的工作方式不一样，因此集成的方法是不同的。采用磁集成技术可以用一个磁性元件代替多个磁性元件，进一步还可以将电路中部分电容器与磁性元件集成在一起构成无源集成模块，以进一步减小体积和提高性能。但是，目前无源元件的集成还未取得有突破性的成功。

中国国内对电力电子无源集成技术的研究是从进入本世纪才开始的。当人们渐渐地认识到“电力电子集成”的重要性之后，在国家的研究项目中确定了将无源集成作为系统集成研究的一个重要方向。此外，结合新型磁性材料的无源集成的研究也获得了国家科学基金的支持。但是，勿用讳言，我国对无源集成的研究相对较晚，研究成果相对较少。这是一个有待进一步发展的研究领域。

发明内容

本发明在研究无源集成技术的基础上，针对带有变压器的倍压整流电路，将其中的变压器、电感和电容等无源器件进行集成，将之构成无源集成模块，提供一种基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，可广泛用于电力电子升压场合，并具备滤波和软开关的电气功能，具有体积小、重量轻、功率密度高等特点；此外，它对电力电子通用无源集成模块的发展能提供技术和理论上的支持。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：

基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，其特征是，包括集成电容的单匝绕组结构、倍压整流电路、滤波电感和高频变压器；通过磁集成将高频变压器与滤波电感进行集成，成为一个磁性器件；通过电容集成将双倍压电容进行集成并与集成的磁件器件再进行集成，构成无源集成模块；所述倍压整流电路带有变压器并能按变压器变比设置升压倍数，能根据倍压整流进行双倍压；所述滤波电感与双倍压电容构成LC滤波电路，以保证输出滤波的质量，所述双倍压电容具有倍压和滤波的双重功能；所述高频变压器如在变压器输入侧加入移相全桥电路，所述滤波电感能实现软开关的功能，达到复用的目的。

在所述的高频变压器与滤波电感的磁集成中，中柱上绕有高频变压器绕组，两侧柱上都绕有滤波电感绕组；所述滤波电感绕组可调整绕组绕向和匝数进行确定，其中的磁芯或采用平面型磁芯，或采用普通EE型磁芯，或采用薄膜及厚膜磁芯，但集成结构不变。

可选的，所述的两侧柱，在其中的一个侧柱上绕有滤波电感绕组。

对所述双倍压电容的集成主要通过绕组间的寄生电容来完成，即，所述的集成电容的单匝绕组结构由上下两层铜箔构成，通过中间绝缘层高度的设置来调整单匝电容的大小；而多匝绕组间的电容值则根据电路所选定值，通过不同集成电容的单匝绕组结构间的连接方式来进行确定。

可选的，所述集成电容的单匝绕组结构的排列，或上下排列，或左右排列。

本发明基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块的积极效果是：

（1）通过磁集成将变压器和电感两个磁性器件进行集成，成为一个磁性器件，使磁性器件数目变少、体积变小、功率密度提高； 

（2）通过电容集成将双倍压电容进行集成并与集成磁件再进行集成，构成无源集成模块，将两个磁性器件和两个电容用一个集成器件代替，进一步提高功率密度； 

（3）电感放置在变压器输出侧，与倍压整流电容构成LC滤波电路，如在变压器输入侧加入移相全桥电路等，电感还可实现软开关的功能； 

（4）电容一方面与电感构成滤波电路，保证输出质量，另一方面完成倍压功能，进一步提高升压比，即电容达到复用，能完成更多的功能；

（5）集成电感绕组分别绕在两个侧柱上，可通过匝数和绕向的调整来确定电感的大小，调整参数方便易行；

（6）集成磁芯可选用平面型磁芯或采用薄膜和厚膜磁芯，可大大降低无源集成器件的厚度；

（7）本发明将变压器、电感和双电容进行集成，构成电力电子无源集成模块，具备滤波和软开关的电气功能，可广泛用于电力电子升压场合，并具有体积小、重量轻、功率密度高等特点；此外，对电力电子通用无源集成模块的发展能提供技术和理论上的支持。

附图说明

图1 为本发明基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块的整体示意图；

图2集成了滤波电感和变压器的磁件集成结构图；

图3集成了滤波电感和变压器的集成磁件磁路图；

图4倍压电容C _r2充电、倍压电容C _r1放电的示意图；

图5倍压电容C _r1充电、倍压电容C _r2放电的示意图；

图6电感拆分后与电容构成LC串联结构的示意图；

图7电感与电容的无源集成中基本LC结构单元；

图8 电感与电容的无源集成中与基本LC结构单元等效的电路图；

图9电感与电容的无源集成中大电感和大电容串联等效电路及其LC结构单元连接形式图I；

图10电感与电容的无源集成中大电感和小电容串联等效电路及其LC结构单元连接形式图II；

图11电感与电容的无源集成中 小电感和小电容串联等效电路及其LC结构单元连接形式图；

图12电感与电容的无源集成中单层绝缘版上集成了电容的电感绕组的结构示意图

图13带有变压器的倍压整流电路无源集成示意图。

图中的标号分别为；

1、无源集成模块；    2、集成电容的单匝绕组结构；  3、绝缘层；

31、单层绝缘层；     32、第一单层绝缘层；         33、第二单层绝缘层；

4、铜箔；            5、倍压整流电路；            6、滤波电感；

7、高频变压器；      8、侧柱；                    9、中柱；

10、端子I；         11、端子II；                 12、端子III；

13、端子IV；        14、电感绕组；               141、第一电感绕组；

142、第二电感绕组；  143、第三电感绕组；          144、第四电感绕组；

151、第一磁芯；      152、第二磁芯；              161、第一变压器绕组；

162、第二变压器绕组。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块的具体实施方式，但是，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见附图1，一种基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，包括集成电容的单匝绕组结构2、倍压整流电路5、滤波电感6和高频变压器7；通过磁集成的方式将高频变压器7与滤波电感6进行集成，成为一个磁性器件（所述“磁集成”是指：将磁性器件变压器7与滤波电感6的两个分立的磁芯集成在一个磁芯上，从结构上构成磁件的集成）。然后，通过电容集成的方式将双倍压电容集成在上述所集成的集成磁件上（所述“电容集成”是指：将与上述集成磁件相连的电容通过集成磁件中的电感铜箔绕组间电场所形成的电容来替代分立的外加电容，即为无源器件集成，在实施上，是将先集成好的集成磁件与电容器件再次集成）。所述的两个磁性器件与两个电容用一个集成器件代替，进一步提高功率密度，构成无源集成模块1。图中所述的倍压整流电路5带有变压器并能按变压器变比设置升压倍数，能根据倍压整流进行双倍压；所述滤波电感6与双倍压电容构成LC滤波电路，以保证输出滤波的质量，所述双倍压电容具有倍压和滤波的双重功能；所述高频变压器7如在变压器输入侧加入移相全桥电路，所述滤波电感6能实现软开关的功能，达到复用的目的。

在所述的高频变压器7与滤波电感6的磁集成中，中柱9上绕有高频变压器7绕组，两侧柱8上都绕有滤波电感6绕组（也可选用在两侧柱8其中的一个侧柱8上绕有滤波电感6绕组。）。根据电感和变压器绕组耦合的不同，所述滤波电感6绕组可调整绕组绕向和匝数进行确定，其中的集成磁芯可选用平面型磁芯或采用薄膜和厚膜磁芯，可大大降低无源集成器件的厚度，但集成结构不变：包括通过源转移方法将中柱变压器绕组移至两侧柱的磁集成方案。

实施中，对所述双倍压电容的集成主要通过绕组间的寄生电容来完成，即，所述的集成电容的单匝绕组结构2由上下两层铜箔4构成，通过中间绝缘层3高度的设置来调整单匝电容的大小；而多匝绕组间的电容值则根据电路所选定值，通过不同集成电容的单匝绕组结构2间的连接方式来进行确定。所述集成电容的单匝绕组结构2的排列，在普通应用中可上下排列，在扁平要求的场合中则应左右排列。

上述基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块的制备步骤可以是（顺以介绍附图2-13，以便对本发明作进一步的详细介绍）：

（1）将体积最大的磁性器件进行集成，即将变压器和电感这两个分立的磁件用一个磁件来代替

见附图2和3。在本实施步骤中，中柱9绕有变压器绕组，电感绕组绕在左右两个侧柱8上，也可单独绕在一个侧柱8上，为分析全面，本实施例将电感分成两个部分分别绕在两个侧柱上。在附图2中，左柱上滤波电感L _f1绕组所产生的磁通为φ _Lf1，右柱上滤波电感L _f2绕组所产生的磁通为φ _Lf2，φ _P 和φ _S 为中柱变压器原副边绕组产生的磁通，φ _T 为变压器产生的主磁通，且φ _T =φ _P -φ _S ，滤波电感磁通φ _Lf1和φ _Lf2相互增强。其中，i _Lf1、i _Lf2、i _P 和i _S 为滤波电感电流以及原副边电流；N _P 和N _S 为原副边匝数，N _Lf1和N _Lf2为左右两个磁柱电感绕组匝数；                                               、

和

为左右两个侧柱和中柱的磁阻。在附图3所示的磁路图中，N _P i _P 和N _S i _S 为变压器原副边磁动势，N _Lf1 i _Lf1和N _Lf2 i _Lf2为电感两侧柱磁动势，根据磁路图可得出集成磁件的电压电流表达式为：

        （1）

式中，M _PLf1和M _SLf1分别为电感L _f1 和变压器原副边间的互感，

M _PLf2和M _SLf2分别为电感L _f2和变压器原副边间的互感，

M _Lf 为滤波电感间的互感，

M _PS 为变压器原副边绕组之间的互感。

对于中柱的变压器而言，中柱的总磁通同时流经变压器的原副边，则变压器电压和匝数的关系为：

          （2）

式中，n为变压器原副边匝比。

通过上式可知，集成磁件的变压器依然满足变压器的电压变换功能，即变压器的原副边电压的比值和其原副边的匝数比相同，可通过匝数来调整原副边的电压比例大小。

根据公式（1）中集成磁件的电感表达式进行化简，则电感表达式化简为：

       （3）

即，电感可按耦合电感进行分析。

在此步骤中完成了磁性器件的集成，构成了磁集成模块，即磁集成模块是本发明的一个子模块。

（2）在磁集成模块的基础上制备电容集成的无源集成模块

首先分析倍压整流工作原理，见附图4、5所示。其中，当倍压电容C _r2充电时，倍压电容C _r1放电；当倍压电容C _r1充电时，倍压电容C _r2放电。倍压电容C _r1和C _r2两端电压给负载供电，进而达到倍压的目的。将滤波电感6进行拆分为两个电感，进而可与电容的工作模态相一致，见附图6所示。因此，可将滤波电感6与电容集成在一起，构成无源集成，将集成了电容的电感绕组绕在侧柱上。电容集成主要是利用LC结构单元，在绕组两层铜箔间有绝缘层，利用两层铜箔的电场效应形成电容，其LC结构单元结构组成见附图7所示，即LC结构单元中两层铜箔构成集成的电感一匝绕组，两层铜箔间的电场效应所产生的电容构成集成的电容。附图8所示为LC结构单元的电路图，其中LC谐振单元的电感为：

          （4）

式中，

为磁芯有效截面积(

)；

为有效磁路周长(

)；

为气隙长度(

)。

LC谐振单元的电容为： 

    

            （5）

式中，

为LC单元绝缘层上铜箔面积()；

为绝缘层厚度(

)。

单匝绕组的电路图由电容和电感构成，而电感和电容的大小，一方面决定于匝数的多少和绝缘层的厚度，另一方面决定于不同匝数之间的连接方式，根据所需电感和电容的大小，可以选择连接方式。附图9-11为几组不同电感值和电容值的连接方式，选择好连接方式后，则可将绕组设置在绝缘层上，如附图12所示：在单层绝缘层31的两侧设置电感绕组14。

（3）经过步骤（1）和（2）的制备过程，最后形成本发明所述的基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块（见附图13）：在第一磁芯151与第二磁芯152之间设置第一单层绝缘层32和第二单层绝缘层33，所述第一单层绝缘层32的中间设置第一变压器绕组161，两侧设置第一电感绕组141和第二电感绕组142；所述第二单层绝缘层33中间设置第二变压器绕组162，两侧设置第三电感绕组143和第四电感绕组144。

所述的第一磁芯151与第二磁芯152采用平面型EE磁芯，磁芯的中柱置放变压器绕组（包括第一变压器绕组161和第二变压器绕组162），磁芯的两侧柱置放电感绕组（包括第一电感绕组141、第二电感绕组142、第三电感绕组143和第四电感绕组144）。所述的变压器绕组和电感绕组都采用PCB板铜箔绕组，匝间采用绝缘层3，并通过绝缘层3大小的设计来集成电容，构成电感和电容集成的集成绕组。

本发明基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，同时集成了变压器、电感、电容，对于升压场合而言，具有高功率密度，便于整个系统维护，同时大大缩短了变换器的研发周期，本发明的电力电子无源集成模块对电力电子系统集成的发展将有极大的促进作用。

Claims (5)

1. 基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，其特征在于，包括集成电容的单匝绕组结构（2）、倍压整流电路（5）、滤波电感（6）和高频变压器（7）；通过磁集成将高频变压器（7）与滤波电感（6）进行集成，成为一个磁性器件；通过电容集成将双倍压电容进行集成并与集成的磁件器件再进行集成，构成无源集成模块（1）；所述倍压整流电路（5）带有变压器并能按变压器变比设置升压倍数，能根据倍压整流进行双倍压；所述滤波电感（6）与双倍压电容构成LC滤波电路，以保证输出滤波的质量，所述双倍压电容具有倍压和滤波的双重功能；所述高频变压器（7）如在变压器输入侧加入移相全桥电路，所述滤波电感（6）能实现软开关的功能，达到复用的目的。

2. 根据权利要求1所述的基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，其特征在于，在所述的高频变压器（7）与滤波电感（6）的磁集成中，中柱（9）上绕有高频变压器（7）绕组，两侧柱（8）上都绕有滤波电感（6）绕组；所述滤波电感（6）绕组可调整绕组绕向和匝数进行确定，其中的磁芯或采用平面型磁芯，或采用普通EE型磁芯，或采用薄膜及厚膜磁芯，但集成结构不变。

3. 根据权利要求2所述的基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，其特征在于，可选的，所述的两侧柱（8），在其中的一个侧柱（8）上绕有滤波电感（6）绕组。

4. 根据权利要求1所述的基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，其特征在于，对所述双倍压电容的集成主要通过绕组间的寄生电容来完成，即，所述的集成电容的单匝绕组结构（2）由上下两层铜箔（4）构成，通过中间绝缘层（3）高度的设置来调整单匝电容的大小；而多匝绕组间的电容值则根据电路所选定值，通过不同集成电容的单匝绕组结构（2）间的连接方式来进行确定。

5. 根据权利要求4所述的基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，其特征在于，可选的，所述集成电容的单匝绕组结构（2）的排列，或上下排列，或左右排列。

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