CN104851574A - 磁性元件及基于该磁性元件的开关电源 - Google Patents

Abstract

一种磁性元件，变压器的原副边绕组及辅助电源绕组绕制在EE磁芯的中柱上，电感绕组平均的绕制在EE磁芯的两个边柱上，使得左右两个边柱上的线圈匝数相同，左右两个边柱上的绕组串联在一起形成所述的电感绕组。该磁性元件中变压器绕组的绕制方式与普通反激电路的变压器绕制方式一致，电感绕组的具体绕制方式是，EE磁芯的左边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向与右边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向相同，磁芯的两个边柱开气隙。相对于现有技术，本发明不但可增加磁芯的利用率，减少体积，降低了安规设计的难度，而且整个电源还具有高功率因数及降低电源输入级电容的容值，从而可以降低成本，改善电磁参数，提高整机电源的性能。

Description

磁性元件及基于该磁性元件的开关电源

技术领域

本发明涉及一种电源电路，特别涉及一种降低输入电容提高功率因数的磁性元件及基于该磁性元件的开关电源。

背景技术

用于开关电源前级的电容一般选取的是铝电解电容，铝电解电容具有成本低、体积小、额定耐压高等优点而被广泛选用。然而，由于铝电解电容是采用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，当存储时间过久，其内部的电解液挥发后漏电流增加，等效串联电阻(ESR：Equivalent Series Resistance)也随之增加，因此铝电解电容使用寿命一般只有两到三年，而且高低温情况下会影响电解液的特性，所以铝电解电容对温度也非常敏感。

为减少电子设备内部开关电源对电网的污染，国际电工委员会和一些国家与地区推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等标准，对电流谐波作出了限量规定。为满足输入电流谐波限制要求，最有效的技术手段就有源功率因数校正，诞生了一系列的提高功率因数的电路(PFC：Power Factor Correction简写)，目前被广为采用的有源PFC技术是两级方案，这些电路很好的解决了电源PF值低的问题，电路的PF值可达到0.9以上，但是这无疑增加了系统电路及控制的复杂度，增加了成本，而且影响了电源的转换效率，特别是在功率不大的场合，缺点更为突出。

目前的交流转直流拓扑中都必不可少有一个高压大容量的电解电容进行低频滤波，但是这个电解电容有一系列的缺点，如：寿命，高低温特性等，而且还影响开关电源的PF值(功率因数：Power Factor简写)，等等这些都制约着开关电源的发展。

大容量铝电解电容的寿命与其两端电压，工作温度及流经其两端的纹波电流有关。要想延长铝电解电容的使用寿命，就要从这三个方面入手，其中工作电压受输入电压范围的影响，工作温度受电源工作环境及其本身的转换效率的影响，纹波电流与容值及电容所处位置的电压波动幅值有关。

随着对电源功率密度要求的提高，开关电源在实现功率转换性能的高效率的同时，在体积上要求更加的紧凑和小型化，这就需要对功率器件如半导体开关器件和磁性元件进行结构上的优化设计，并对辅助源电路、控制电路等实现空间应用的最小化。

感性器件在开关电源中是必不可少的，而且也是占整体开关电源体积较大的。磁集成技术可以有效地减小磁性元件的体积和重量，是提高开关电源功率密度的有效措施，也成为开关电源磁学领域发展的趋势。采用磁集成技术，开关电源中的所有磁性元件可以由一个磁性元件完成，如变压器与变压器，电感与电感，电感与变压器等等。如此，电源的总体积便可减小。

目前的磁集成可采用解耦形式的集成，即两个磁性器件的磁通互不干扰，分别独立工作；另一种集成形式为耦合的形式，利用磁路推导，两个磁性器件的磁通相互耦合，但是总体呈现的两个磁性器件的磁通不变。

如专利申请号为201410822779.5的《一种电源电路》中国专利公开说明书示出了一种开关电源的全新拓扑，该拓扑解决了初级电容容量问题，使用小容量电容也可以正常工作，但是在专利《一种电源电路》中示出的电路拓扑中，其主功率回路存在两个感性器件——电感与变压器，由于两个感性器件的存在，使得该拓扑不但在体积上受到限制，而且两个感性元件均为开关电源一次侧高压器件，在电路布局及安规的考虑均较困难，也恶化了EMI性能。

发明内容

本发明的目的是，提供一种能够解决上述存在的一些问题，不但可增加磁芯的利用率，减少体积，降低了安规设计的难度，而且整个电源还具有高功率因数及降低电源输入级电容的容值，从而可以降低成本，改善电磁参数，提高整机电源的性能的磁性元件。

与此相应的，本发明另一个目的是，提供一种基于该磁性元件的开关电源。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术措施实现的：

一种磁性元件，使用EE型磁芯，变压器的原副边绕组及辅助电源绕组绕制在EE磁芯的中柱上，电感绕组平均的绕制在EE磁芯的两个边柱上，使得左右两个边柱上的线圈匝数相同，左右两个边柱上的绕组串联在一起形成所述的电感绕组。该磁性元件中变压器绕组的绕制方式与普通反激电路的变压器绕制方式一致，电感绕组的具体绕制方式是，EE磁芯的左边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向与右边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向相同，磁芯的两个边柱开气隙。

另一种磁性元件，使用EI型磁芯，磁性元件中所有的绕组均绕制在I型柱上，其中变压器的原副边绕组及辅助电源绕组绕制在EI型磁芯组成“日”字的上半部分，电感绕组绕制在EI型磁芯组成“日”字的下半部分。变压器绕组的磁通路径为EI型磁芯组成“日”的上半部分，电感绕组的磁通路径为EI型磁芯组成“日”的下半部分，形成二者的解耦。且E型中柱上的磁芯可设计成变压器与电感磁通相互抵消一部分，减少E型中柱的截面积。

优选的，所述E型磁芯的边柱可开设有气隙。E型磁芯为扇形结构，以通过扩展磁芯的表面来减少E型磁芯的壁厚。I型磁芯开设有分布气隙。

本发明还提供一种开关电源，包括整流桥、第一电容、电感绕组、第一二极管、第一开关管及其驱动电路、第二电容、变压器原边绕组、变压器副边绕组、与变压器副边绕组连接的反激电路输出部分以及将第一二极管的阳极钳位在整流桥的负输出端电位的钳位电路，所述整流桥具有正输出端和负输出端，所述第一电容并联于整流桥的正输出端与负输出端之间；所述电感、变压器原边绕组和变压器副边绕组为前述的磁性元件结构，所述开关电源的具体连接关系是，整流桥的正输出端与磁性元件中电感绕组的一端连接，电感绕组的另一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阳极还与钳位电路的一端连接，钳位电路的另一端与整流桥的负输出端连接；第一二极管的阴极分别与第二电容的一端及第一开关管的漏极连接，第一开关管的源极与磁性元件中变压器原边绕组的同名端连接，变压器原边绕组的同名端还与整流桥的负输出端连接；磁性元件中变压器原边绕组的异名端与第二电容的另一端连接。

优选的，所述钳位电路，由第二开关管构成，第二开关管为MOS管，由第一开关管的驱动模块驱动，第二开关管的漏极与第一二极管的阳极连接，第二开关管的源极与整流桥的负输出端连接；当第一开关管导通时，磁性元件中电感绕组经第二开关管构成电感的励磁回路；同时，第二电容经磁性元件中变压器的原边绕组、第一开关管构成变压器的励磁回路；当第一开关管关断时，第一二极管连通磁性元件中的电感与变压器，形成单一电流回路，在电流回路中电感能量释放完毕后，钳位电路将第一二极管阳极的最低电压钳位在整流桥负输出端电位，使得第一二极管的电压应力与第一开关管的电压应力相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)更大限度的发挥了磁材的利用率。

(2)由于功率电压与变压器采用磁集成技术耦合在一起，因此开关电源的一次侧的PCB电路布线更容易，且容易满足安规要求的爬电距离。

(3)采用电感与变压器的集成可以减少体积、降低成本。

(4)采用EI型磁芯的集成形式，可以简化绕组制作工艺，磁性元件的骨架容易制作。

附图说明

图1为本发明第一实施例开关电源电路的电路等效原理图；

图2为本发明第一实施例的磁性元件的结构示意图；

图3为本发明第一实施例的磁性元件的变压器绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向示意图；

图4为本发明第一实施例的磁性元件的左侧电感绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向示意图；

图5为本发明第一实施例的磁性元件的右侧电感绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向示意图；

图6为本发明第一实施例的开关电源电路在开关管Q1、Q2处于导通期间，电路的电流流向示意图；

图7为本发明第一实施例的开关电源电路在开关管Q1、Q2处于关断期间，电路的电流流向示意图；

图8为本发明第二实施例的磁性元件的结构示意图；

图9为本发明第二实施例的磁性元件的变压器绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向示意图；

图10为本发明第二实施例的磁性元件的电感绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向示意图；

图11为本发明第二实施例的磁性元件的E型磁芯的立体结构图。

具体实施方式

第一实施例

图1所示为本发明第一实施例开关电源电路的电路等效原理图，图2所示为本发明第一实施例使用的磁性元件结构示意图。单使用文字描述原理，会让本技术领域人员理解困难，所以，请允许使用原理图，配合电子工程中常用的信号流向来说明本发明的工作原理。

一种磁集成开关电源，包括整流电路101、第一电容C1、第一二极管D1、第一开关管Q1及其驱动电路103、第二电容C_DC、磁性元件TL、反激电路输出部分104以及将第一二极管D1的阳极钳位在整流桥的负输出端电位的第二开关管Q2，所述整流桥具有正输出端和负输出端，所述第一电容C1并联于整流桥的正输出端与负输出端之间；所述的磁性元件TL包括反激变压器原副边绕组及一个功率电感绕组。

所述开关电源电路的具体连接关系是，整流电路的正输出端与磁性元件TL中电感绕组的一端连接，电感绕组的另一端与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极分别与第二电容C_DC的一端及第一开关管Q1的漏极连接，第一开关管Q1的源极与磁性元件TL中反激变压器原边绕组的同名端连接，磁性元件TL中反激变压器原边绕组的异名端与第二电容C_DC的另一端连接；磁性元件TL中反激变压器原边绕组的同名端还与整流电路的负输出端连接；第一二极管D1的阳极还与钳位电路102第二开关管Q1的漏极连接，钳位电路102中第二开关管Q2的源极与整流桥的负输出端连接，所述的第二开关管Q2与第一开关管Q1公用一个驱动电路。

本发明第一实施例磁性元件的工作原理：

如图2所示，磁性元件TL中的变压器原副边绕组及辅助电源绕组绕制在EE磁芯的中柱上，变压器绕组的绕制方式与普通反激电路的变压器绕制方式一致。磁性元件TL中的电感绕组平均的绕制在EE磁芯的两个边柱上，使得左右两个边柱上的线圈匝数相同，左右两个边柱上的绕组串联在一起形成磁性元件TL的电感绕组。

当各绕组中通以预定方向的电流时，磁性元件TL中变压器绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向如图3所示。磁性元件TL中电感绕组的具体工作方式是，EE磁芯的左边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向与右边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向相同，如图4、图5标注的电感绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向，为了防止磁芯饱和，在磁芯的两个边柱开相同的气隙。如此，EE磁芯的两个边柱绕组产生的磁通在通过EE磁芯中柱时，刚好方向相反，且二者的气隙与匝数均相同，因此磁通大小一样，所以EE磁芯中柱上的磁通不会因为边柱上的电感绕组而改变，形成变压器与电感的解耦。

本发明第一实施例开关电源电路的的工作原理：

假定所述的两个开关管Q1、Q2均为N-MOS管，以倍压电路102中的电感L1与反激电路中的变压器T1均工作在断续模式下进行原理说明，则本发明开关电源电路在稳态下一个周期的工作原理是：

(1)N-MOS管Q1与Q2导通：

当N-MOS管Q1与Q2导通时，N-MOS管Q1与Q2相当于一条导线，图6示出此时电流的流向，从整流电路101的输出正→磁性元件TL中的电感绕组L1→第二开关管Q2→回到整流电路101的输出负极，具体电流流向如图6中虚线301所示。除此之外，电源原边还有一个电流回路，从母线电容C_DC一端→第一开关管Q1→磁性元件中变压器T1的原边绕组→回到第二电容C_DC的另一端，具体电流流向如图6中虚线302所示。此时磁性元件TL的变压器T1进行能量存储。

在这个过程中，流过电感L1的电流从零开始线性上升，磁性元件TL中电感绕组开始储能；同时第二电容C_DC通过N-MOS管Q1向磁性元件TL中变压器T1的原边放电，磁性器件TL中变压器原边绕组的电流从零开始线性上升，其电流方向：从原边同名端流到原边异名端，并对磁性器件TL中变压器的原边绕组激磁储存能量；这时变压器T1的副边绕组感应出上负下正的感应电压，如图6中符号标识那样，这个感应电压与变压器T1的匝比、原边绕组电压有关，在这个电压作用下，二极管Do反偏，不导通。

由于两个感性元件的励磁回路分开，流过每个开关器件的电流减少，因此可以选用功率等级更低的开关器件，这样便减少了开关器件的损耗，提高了整机电源的效率。

(2)N-MOS管Q1与Q2继而关断：

当N-MOS管Q1与Q2导通完毕，继而迅速关断时，此时N-MOS管Q1与Q2相当于开路，图7示出此时的电流流向，从整流电路101的输出正→磁性元件TL中电感绕组L1→第一二极管D1→第二电容C_DC→磁性元件TL中变压器T1原边绕组→回到整流电路101的输出负极，具体电流流向如图7中虚线304所示。此时变压器进行能量释放，磁性元件中变压器T1的副边绕组感应出上正下负的感应电压，电流从变压器T1副边绕组的异名端流出→经反激输出部分电路104中的整流二极管Do→向负载及输出电容Co释放能量→回到磁性元件TL中变压器副边绕组的同名端，具体电流流向如图9中的虚线305所示。

在这个过程中，磁性元件TL中电感绕组由于电流突变，感应出左负右正的感应电动势，如图7中符号标识的那样，因此可看成是整流电路101输出电压与磁性元件TL中电感绕组的感应电动势之和向第二电容C_DC和磁性元件TL中变压器的原边充电，此时磁性元件中变压器的原边绕组电流方向从原边异名端到同名端，故在磁性元件中变压器的副边绕组上感应出上正下负的感应电压，如图7中符号表示的那样。

同时，由于磁性元件TL中变压器在N-MOS管Q1导通时期存储了能量，在N-MOS管Q1关断期间向负载提供能量，相当于磁性元件中的电感绕组与变压器绕组，在N-MOS管Q1关断期间同时为负载提供能量。

在磁性元件TL中的电感与变压器的能量释放完毕后电路便进入了谐振状态，所添加的开关管Q2主要是将磁性元件TL中的电感绕组、变压器原边绕组与二极管D1的结电容的谐振回路分开，磁性元件TL中电感的谐振回路包括：输入电容C1、磁性元件TL中电感绕组本身及开关管Q2，磁性元件TL中变压器原边绕组的谐振回路包括：开关管Q1、磁性元件TL中变压器原边绕组及第二电容C_DC。如果没有开关管Q2，当磁性元件TL中的电感谐振至左正右负，且输入电压低于其感应电压时，第一二极管D1的阳极出现了负压，那么二极管D1两端便出现了高应力。当加入开关管Q2后，倍压电路102中的二极管D1的阳极就会被钳位在零伏，如此就不会出现二极管D1两端的高应力问题。换句话说，在电流回路中磁性元件TL中的电感能量释放完毕后，钳位电路将二极管D1阳极的最低电压钳位在整流桥负输出端电位，使得二极管D1的电压应力与开关管Q1的电压应力相同，其中，开关管Q1的电压应力指的是其漏源极间所承受的电压。

第二实施例

本发明第二实施例与第一实施例的电路原理图相同，与第一实施例的区别之处在于：磁性元件的结构不同，如图8所示，电路的其他连接方式及工作方式均相同，本实施例的磁性元件结构表述如下：

磁性元件TL使用EI型磁芯，磁性元件中所有的绕组均绕制在I型柱上，其中变压器的原副边绕组及辅助电源绕组绕制在EI型磁芯组成“日”字的上半部分，电感绕组绕制在EI型磁芯组成“日”字的下半部分。E型磁芯可做成如图11所示的扇形结构，如此可通过扩展磁芯的表面来减少E型磁芯的壁厚，I型柱可做成分布气隙。变压器绕组的磁通路径为EI型磁芯组成“日”的上半部分，电感绕组的磁通路径为EI型磁芯组成“日”的下半部分，形成二者的解耦。且E型中柱上的磁芯可设计成变压器与电感磁通相互抵消一部分，减少E型中柱的截面积。如此设计，可以简化绕组制作工艺，磁性元件的骨架容易制作。

当各绕组中通以预定方向的电流时，磁性元件TL中变压器绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向如图9所示，电感绕组中的电流方向与磁芯中的磁通方向如图10所示，电感绕组和变压器绕组产生的磁场方向，在I型磁芯上相同，在E型磁芯的中柱上相反。

以上仅是本发明的部分实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，实施例可交叉组合，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.磁性元件，包括EE型磁芯及绕在EE型磁芯上的电感绕组和变压器绕组，所述EE型磁芯为开口相对组装的两个E型磁芯，E型磁芯具有一个中柱和两个边柱，EE型磁芯左侧的两个边柱构成左侧柱，EE型磁芯右侧的两个边柱构成右侧柱，其特征在于：

所述E型磁芯的两个边柱开设相同的第一气隙，E型磁芯的中柱开设第二气隙；

所述电感绕组均分成两个线圈，两个线圈分别绕制在EE型磁芯的左侧柱和右侧柱上，当两个线圈内通以预定方向的电流时，两个线圈产生的磁场方向在左侧柱和右侧柱上相同，在中柱上相反；

所述变压器绕组绕制在EE型磁芯的中柱上。

2.磁性元件，包括EI型磁芯及绕在EI型磁芯上的电感线圈和变压器线圈，所述EI型磁芯为组装成“日”字形的E型磁芯和I型磁芯，E型磁芯具有一个中柱和两个边柱，I型磁芯沿E型磁芯的中柱分为上半段和下半段，其特征在于：

所述变压器绕组绕制在I型磁芯的上半段上；

所述电感绕组绕制在I型磁芯的下半段上；

当电感绕组和变压器绕组内通以预定方向的电流时，所述电感绕组和变压器绕组产生的磁场方向，在I型磁芯上相同，在E型磁芯的中柱上相反。

3.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于：所述E型磁芯的边柱开设有气隙。

4.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于：所述E型磁芯为扇形结构，以通过扩展磁芯的表面来减少E型磁芯的壁厚。

5.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于：所述I型磁芯开设有分布气隙。

6.一种开关电源，包括整流桥、第一电容、电感绕组、第一二极管、第一开关管及其驱动电路、第二电容、变压器原边绕组、变压器副边绕组、与变压器副边绕组连接的反激电路输出部分以及将第一二极管的阳极钳位在整流桥的负输出端电位的钳位电路，所述整流桥具有正输出端和负输出端，所述第一电容并联于整流桥的正输出端与负输出端之间；所述电感、变压器原边绕组和变压器副边绕组为权利要求1至6中任一项所述的磁性元件结构，其特征在于：

所述开关电源的具体连接关系是，整流桥的正输出端与磁性元件中电感绕组的一端连接，电感绕组的另一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阳极还与钳位电路的一端连接，钳位电路的另一端与整流桥的负输出端连接；第一二极管的阴极分别与第二电容的一端及第一开关管的漏极连接，第一开关管的源极与磁性元件中变压器原边绕组的同名端连接，变压器原边绕组的同名端还与整流桥的负输出端连接；磁性元件中变压器原边绕组的异名端与第二电容的另一端连接。

7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：所述钳位电路，由第二开关管构成，第二开关管为MOS管，由第一开关管的驱动模块驱动，第二开关管的漏极与第一二极管的阳极连接，第二开关管的源极与整流桥的负输出端连接；当第一开关管导通时，磁性元件中电感绕组经第二开关管构成电感的励磁回路；同时，第二电容经磁性元件中变压器的原边绕组、第一开关管构成变压器的励磁回路；当第一开关管关断时，第一二极管连通磁性元件中的电感与变压器，形成单一电流回路，在电流回路中电感能量释放完毕后，钳位电路将第一二极管阳极的最低电压钳位在整流桥负输出端电位，使得第一二极管的电压应力与第一开关管的电压应力相同。