CN103762853A - 一种磁集成双端变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例公开了一种具有集成变压器一个三磁柱磁芯的集成磁件，仅在第二磁柱和第二磁柱上分别设置有储能气隙，集成磁件包括原边绕组、第一副边绕组以及第二副边绕组，原边绕组和第一副边绕组共同绕于第一磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流；一个作用于原边绕组双端对称工作的逆变电路；一组同步整流管，其门极驱动信号分别和双端对称工作的逆变电路的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。本发明提供的磁集成双端变换器能够减小绕组损耗和原、副边的漏感，实现能量的高效变换。

Description

一种磁集成双端变换器
技术领域
本发明涉及一种具有集成变压器和电感器功能的磁集成双端变换器。
背景技术
在宽范围输入电压的直流变换器应用场合，根据功率等级的要求，可选用单端变换器（如反激变换器、正激变换器等）或双端变换器（如半桥变换器、全桥变换器、推挽变换器等）作为主功率拓扑。
附图1所示为现有的一种磁集成半桥变换器，集成磁件采用EE型磁芯，绕组Np和绕组Ns绕在EE型磁芯的中柱以构成变压器，绕组NL1和绕组NL2分别绕在EE型磁芯的边柱以构成电感。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在绕组损耗大，漏感大的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种磁集成双端变换器，能够减小绕组损耗和原、副边的漏感，实现能量的高效变换。
本发明的实施例提供的一种磁集成双端变换器，包括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组；
一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组和一个储能气隙，其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第一磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流；
一组同步整流管，其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆变电路的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
本发明的实施例提供的另一种磁集成双端变换器，包括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组；
一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组和一个储能气隙，其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱和第三磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流；
一组同步整流管，其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆变电路的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
由本发明的实施例提供的技术方案可知，通过将原边绕组和第一副边绕组绕制在相同的磁柱上，并使用同步整流管替代现有技术中的整流二极管，可以降低开关器件的导通损耗，起到对副边绕组的零压降钳位作用；这样可以采用最少的原边绕组来实现原边能量到副边的传递，减小绕组损耗和原、副边的漏感，实现能量的高效变换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术及本发明实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。
图1为现有技术中的一种磁集成半桥变换器；
图2为本发明实施例一提供的一种磁集成半桥变换器；
图3为对本发明实施例一提供的磁集成双端变换器集成磁件的分析示意图；
图4为本发明实施例一提供的磁集成半桥变换器的工作波形示意图；
图5为本发明实施例二提供的一种磁集成半桥变换器；
图6为本发明实施例二提供的磁集成半桥变换器的工作波形示意图；
图7为本发明实施例三提供的一种磁集成半桥变换器；
图8为本发明的实施例提供的一种磁集成全桥变换器；
图9为本发明的实施例提供的一种磁集成推挽变换器；
图10为当副边绕组同时为一匝时，本发明的实施例提供的一种磁集成双端变换器的示意图；
图11为当副边绕组同时为一匝时，本发明的实施例提供的另一种磁集成双端变换器的示意图；
图12为本发明实施例四提供的一种磁集成半桥变换器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明提供的技术方案进一步详细描述。
本发明的实施例提供的一种磁集成双端变换器，包括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组；
一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组和一个储能气隙，其中原边绕组和第一副边绕组绕于第一磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流；
一组同步整流管，其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆变电路的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
其中，双端对称工作的逆变电路可以为半桥逆变电路、全桥逆变电路或推挽电路中任一种。当双端对称工作的逆变电路为半桥逆变电路时，本发明的实施例提供的磁集成双端变换器又可称为磁集成半桥变换器；同样，当双端对称工作的逆变电路为全桥逆变电路或推挽电路时，本发明的实施例提供的磁集成双端变换器对应又可称为磁集成全桥变换器或磁集成推挽变换器。
以双端对称工作的逆变电路为半桥逆变电路为例，本发明的实施例提供的磁集成双端变换器可以有如下的具体结构。
实施例一
参见附图2，本实施例一的磁集成半桥变换器，其原边的半桥逆变电路包括分压电容C1、C2和功率开关管S1、S2。其集成磁件包含一个EE型磁芯，所述EE型磁芯包括三个绕组和两个储能气隙。其中原边绕组Np和第一副边绕组Ns1绕于第一磁柱1，第二副边绕组Ns2绕于第二磁柱2，第二磁柱2上设置有储能气隙1，第三磁柱3上设置有储能气隙2。原边绕组Np两端分别连接半桥逆变电路的功率开关管S1、S2桥臂的连接点A和分压电容C1、C2的连接点B。
第一副边绕组Ns1、第二副边绕组Ns2、输出滤波电容Co和第一同步整流管SR1构成副边的一功率电路；第二副边绕组Ns2、输出滤波电容Co和第二同步整流管SR2构成副边的另一功率回路。第一同步整流管SR1和第一副边绕组Ns1的串联支路和第二同步整流管SR2并联，在第二副边绕组Ns2流过的电流为同步整流管SR1和SR2的电流之和。
参见附图3和附图4，根据对称半桥的工作原理，原边的功率开关管S1和S2在相位交错180°的驱动电压Vg1和Vg2作用下，将在原边绕组Np两端形成方波逆变电压VAB；副边的同步整流管SR1和SR2的驱动电压分别为Vgs1和Vgs2，其中，Vgs1和Vg2互补工作，Vgs2和Vg1互补工作。因此，电路的工作过程可以分为四个阶段：
阶段1[t0-t1]：原边的功率开关管S1导通，S2截止，副边的同步整流管SR1导通，SR2截止。加在原边绕组Np两端的电压为Vin/2，原边绕组所在的第一磁柱1的Φ1线性上升，其他两磁柱的磁通Φ2、Φ3也相应的上升。第一副边绕组Ns1的电流iSR1等于第二副边绕组Ns2的电流iout。
阶段2[t1-t2]：原边的功率开关管S1、S2均截止，副边的同步整流管SR1、SR2均导通。原边绕组电流ip为零。第一副边绕组Ns1被SR1和SR2短路，使得绕在第一磁柱1的绕组Np和Ns1的电压均为零，磁通Φ1保持不变，第二磁柱2的磁通下降量等于第三磁柱3的磁通上升量。两副边同步整流管均导通，流过SR1的电流iSR1转移一部分到SR2，电流之和等于iout。
阶段3[t2-t3]：原边的功率开关管S2导通，S1截止，副边的同步整流管SR2导通，SR1截止。加在原边绕组Np两端的电压为-Vin/2，原边绕组所在的第一磁柱1的Φ1线性下降，其他两磁柱的磁通Φ2、Φ3也相应的下降。第二副边绕组Ns2的电流iout全部流过同步整流管SR2。
阶段4[t3-t4]：原边的功率开关管S1、S2均截止，副边的同步整流管SR1、SR2均导通。原边绕组电流ip为零。第一副边绕组Ns1被SR1和SR2短路，使得绕在第一磁柱1的绕组Np和Ns1的电压均为零，磁通Φ1保持不变，第二磁柱2的磁通下降量等于第三磁柱3的磁通上升量。两副边同步整流管均导通，流过SR2的电流iSR2转移一部分到SR1，电流之和等于iout。
根据磁通连续性，可以推导出输入输出电压转换比：
Figure BDA0000464293190000051
其中D是指占空比，为功率开关管S1开通时间除以开关周期。
实施例二
参见附图5，本实施例二的磁集成半桥变换器，与实施例一的磁集成半桥变换器结构不同在于：本实施例二的EE型磁芯包括三个绕组和一个储能气隙。其中原边绕组Np和第一副边绕组Ns1绕于第一磁柱1，第二副边绕组Ns2绕于第二磁柱2，在第三磁柱3上设置有储能气隙1，且第一副边绕组Ns1匝数等于第二副边绕组Ns2匝数的两倍。
参见附图6，本实施例二的电路的工作过程同样可以分为四个阶段：
阶段1[t0-t1]：原边的功率开关管S1导通，S2截止，副边的同步整流管SR1导通，SR2截止。加在原边绕组Np两端的电压为Vin/2，原边绕组所在的第一磁柱1的Φ1线性上升，第二磁柱2的磁通Φ2线性上升，第三磁柱3的磁通Φ3线性下降。第一副边绕组Ns1的电流iSR1等于第二副边绕组Ns2的电流iout。
阶段2[t1-t2]：原边的功率开关管S1、S2均截止，副边的同步整流管SR1、SR2均导通。原边绕组电流ip为零。第一副边绕组Ns1被SR1和SR2短路，使得绕在第一磁柱1的绕组Np和Ns1的电压均为零，磁通Φ1保持不变，第二磁柱2的磁通下降量等于第三磁柱3的磁通上升量。两副边同步整流管均导通，流过SR1的电流iSR1等于流过SR2的电流iSR2，二者电流之和等于iout。
阶段3[t2-t3]：原边的功率开关管S2导通，S1截止，副边的同步整流管SR2导通，SR1截止。加在原边绕组Np两端的电压为-Vin/2，原边绕组所在的第一磁柱1的Φ1线性下降，其他两磁柱的磁通Φ2、Φ3也线性下降。第二副边绕组Ns2的电流iout全部流过同步整流管SR2。
阶段4[t3-t4]：原边的功率开关管S1、S2均截止，副边的同步整流管SR1、SR2均导通。原边绕组电流ip为零。第一副边绕组Ns1被SR1和SR2短路，使得绕在第一磁柱1的绕组Np和Ns1的电压均为零，磁通Φ1保持不变，第二磁柱2的磁通下降量等于第三磁柱3的磁通上升量。两副边同步整流管均导通，流过SR1的电流iSR1等于流过SR2的电流iSR2，二者电流之和等于iout。
根据磁通连续性，可以推导出输入输出电压转换比：
其中D是指占空比，为功率开关管S1开通时间除以开关周期。
由于第一磁柱1和第二磁柱2上未设置储能气隙，可以认为该磁柱的等效磁阻为零。因此本实施例二的等效输出滤波电感Lout可表示为：
Figure BDA0000464293190000062
其中Rm3为第三磁柱3的等效磁阻。
实施例三
参见附图7，本实施例三的磁集成半桥变换器，是在上述实施例二的基础上，在第三磁柱3上增加第三副边绕组Ns3。具体而言，本实施例三的EE型磁芯包括四个绕组和一个储能气隙。其中原边绕组Np和第一副边绕组Ns1绕于第一磁柱1，第二副边绕组Ns2绕于第二磁柱2，第三绕组Ns3绕于第三磁柱3，第三磁柱3设置有储能气隙1，且第一副边绕组Ns1匝数等于第二副边绕组Ns2匝数的两倍。
此时，第一副边绕组Ns1、第二副边绕组Ns2、第三副边绕组Ns3、输出滤波电容Co和第一同步整流管SR1构成副边的一功率电路；第二副边绕组Ns2、第三副边绕组Ns3、输出滤波电容Co和第二同步整流管SR2构成副边的另一功率回路。第一同步整流管SR1和第一副边绕组Ns1的串联支路和第二同步整流管SR2并联。第二副边绕组Ns2和第三副边绕组Ns3串联，增强输出滤波电感量，流过的电流为同步整流管SR1和SR2的电流之和。
本实施例三与上述实施例二相比，通过在第三磁柱3上增加第三副边绕组Ns3，能够提高电路的输出滤波电感量，同时对电路的工作模式没有影响。因此，同步整流管电流及输出电流的工作时序仍可以参考附图6。此时本实施例三的等效输出滤波电感量Lout可表示为：
Figure BDA0000464293190000071
其中Rm3为第三磁柱3的等效磁阻。
实施例四
参见附图12，本实施例四的磁集成半桥变换器，与实施例一的磁集成半桥变换器结构不同在于：本实施例四的EE型磁芯包括三个绕组和一个储能气隙。其中原边绕组Np和第一副边绕组Ns1绕于第一磁柱1，第二副边绕组Ns2绕于第三磁柱3，在第三磁柱3上设置有储能气隙1，且第一副边绕组Ns1匝数等于第二副边绕组Ns2匝数的两倍，其中第二副边绕组Ns2从第一副边绕组Ns1中抽出。
本实施例四的电路的工作过程同实施例二。
综上所述，以双端对称工作的逆变电路为半桥逆变电路为例，本发明的实施例提供的磁集成双端变换器，通过将原边绕组和第一副边绕组绕制在相同的磁柱上，并使用同步整流管替代现有技术中的整流二极管，可以降低开关器件的导通损耗，并可以在上述第2和4阶段把第一副边绕组Ns1的电压箝位成0，起到对副边绕组的零压降钳位作用；这样可以采用最少的原边绕组来实现原边能量到副边的传递，减小绕组损耗和原、副边的漏感，实现能量的高效变换。
可以理解的是，根据逆变电路的拓扑结构不同，本实施例的双端对称工作的逆变电路也可以为全桥逆变电路或推挽电路，如附图8的磁集成全桥变换器和附图9的磁集成推挽变换器。
其中，附图8中的磁集成全桥变换器，除原边的逆变电路的拓扑结构与附图2、5或7中的磁集成半桥变换器不同外，其原副边绕组与附图2、5或7中磁集成半桥变换器的原副边绕组完全相同；附图9中磁集成推挽变换器的原边绕组有两个，分别为Np1和Np2，比全桥、半桥的原边绕组多一个，但是原边绕组Np1和Np2绕于同一磁柱，同时副边的绕组结构与磁集成半桥变换器相同。因此，附图8的磁集成全桥变换器和附图9的磁集成推挽变换器的工作时序、构成的磁芯内部磁通Φ1、Φ2、Φ3分别和本发明的磁集成半桥变换器相同。
当原边绕组Np和第一副边绕组Ns1绕于第一磁柱1，第二副边绕组Ns2绕于第二磁柱2时，参见附图10，在副边绕组Ns1和Ns2同时为一匝时，图10中阴影区域代表副边绕组功率回路的铜皮，呈现开口向上的E型状，包含三部分：其中两部分铜皮穿过磁芯窗口，分别为绕组Ns1和Ns2；第三部分在磁芯外部连接副边整流管SR2，为走线部分。原边绕组Np绕于第一磁柱1，一部分和Ns1在同一绕线窗口，一部分暴露在磁芯窗口外，和走线保证良好的耦合关系，这样能够实现原边绕组Np的能量向副边绕组Ns1和Ns2的高效切换，同时保证SR1和SR2对副边绕组的有效的零压降钳位功能。
因为E型磁芯的储能气隙分别设置于第二磁柱2和第三磁柱3或仅设置在第三磁柱3，为了更加有效地控制集成磁件外部的磁场分布，本发明的实施例提供的磁集成双端变换器也可以将原边绕组Np和第一副边绕组Ns1同时绕过第二磁柱2和第三磁柱3，其他的结构保持不变。
当原边绕组Np和第一副边绕组Ns1同时绕过第二磁柱2和第三磁柱3，第二副边绕组Ns2绕于第二磁柱2时，参见附图11，在副边绕组Ns1和Ns2同时为一匝时，图11中阴影区域代表副边绕组功率回路的铜皮，呈现开口向上的E型状，包含三部分：其中两部分铜皮穿过磁芯窗口，分别为绕组Ns1和Ns2；第三部分在磁芯外部连接副边整流管SR2，为走线部分。原边绕组Np绕于第二磁柱2和第三磁柱3，一部分和Ns1在同一绕线窗口，一部分暴露在磁芯窗口外，和走线保证良好的耦合关系。与附图10不同的是，此时走线部分跟随原边绕组Np绕于第二磁柱2的外侧，以保证和原边部分仍保持良好的耦合。
基于上述的说明，本发明的实施例提供了另一种磁集成双端变换器，包括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组；
一个三磁柱磁芯的集成磁件包含至少三个绕组和至少一个储能气隙，其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱和第三磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流；
一组同步整流管，其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆变电路的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
一种实施例，三磁柱磁芯的集成磁件包含三个绕组和两个储能气隙，其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱和第三磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流，在第二磁柱和第三磁柱上分别设置有储能气隙。此实施例对第一副边绕组的匝数与第二副边绕组的匝数未做限制，可以相同或不同。
另一种实施例，三磁柱磁芯的集成磁件包含三个绕组和一个储能气隙，其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱和第三磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流，仅在第三磁柱上设置有储能气隙。此实施例要求所述第一副边绕组的匝数为所述第二副边绕组匝数的两倍。
再一种实施例，三磁柱磁芯的集成磁件包含四个绕组和一个储能气隙，其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱和第三磁柱，第二副边绕组绕于第二磁柱，第三副边绕组绕于第三磁柱，第三副边绕组与第二副边绕组串联且流过总的输出电流，仅在第三磁柱上设置有储能气隙。此实施例也要求所述第一副边绕组的匝数为所述第二副边绕组匝数的两倍。
同样可以理解的是，该磁集成双端变换器包括的一双端对称工作的逆变电路可以为半桥逆变电路、全桥逆变电路或推挽电路中的任一种，并且可以产生方波电压信号作用于原边绕组。
需要说明的是，原边绕组和第一副边绕组无论共同绕于未设置有储能气隙的第一磁柱，还是共同绕于至少设置一储能气隙的第二磁柱和第三磁柱，当第一副边绕组和/或所述第二副边绕组为一匝时，由于绕组长度减少，在满足实际需要的同时，能够减小绕组损耗。
最后需要说明的是，本发明的实施例提供的磁集成双端变换器作为一种通信设备可以用于直流-直流（DC-DC）的二次电源模块。
上述具体实施例并不用以限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁集成双端变换器，其特征在于，包括：
一个三磁柱磁芯的集成磁件，仅在第二磁柱和第二磁柱上分别设置有储能气隙，所述集成磁件包括原边绕组、第一副边绕组以及第二副边绕组，所述原边绕组和所述第一副边绕组共同绕于第一磁柱，所述第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总的输出电流；
一个作用于所述原边绕组双端对称工作的逆变电路；
一组同步整流管，其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆变电路的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
2.如权利要求2所述的磁集成双端变换器，其特征在于，所述第一副边绕组和/或所述第二副边绕组的匝数为一匝。
3.如权利要求1-2任一项所述的磁集成双端变换器，其特征在于，所述双端对称工作的逆变电路为如下任一种：半桥逆变电路、全桥逆变电路或推挽电路。
4.如权利要求1-3任一项所述的磁集成双端变换器，其特征在于，所述磁芯为EE型磁芯，所述第一磁柱为位于所述EE型磁芯两侧的其中一个磁柱，所述第二磁柱为位于所述EE型磁芯两侧的另一个磁柱，所述第三磁柱为位于所述EE型磁芯中间一个磁柱。
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