CN105009237B - 集成式磁性变压器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成式磁性变压器组件，该集成式磁性变压器组件包括：第一磁导芯，第一磁导芯形成第一基本闭合磁通路径；以及第二磁导芯，第二磁导芯形成第二基本闭合磁通路径。第一输入电感器绕组被缠绕在第一磁导芯的第一预定段上，并且第二输入电感器绕组被缠绕在第二磁导芯的第一预定段上。该集成式磁性变压器组件还包括第一输出电感器绕组，第一输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，第一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第二预定段上，并且第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的第二预定段上。第二输出电感器包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，第一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第三预定段上，并且第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的第三预定段上。第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组被配置成产生通过第二基本闭合磁通路径的反向磁通，并且第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被配置成产生通过第一基本闭合磁通路径的对齐的(即，朝相同方向的)磁通。该集成式磁性变压器组件非常适合于用在宽范围的单输入或多输入隔离式电力转换器拓扑中。

Description

集成式磁性变压器组件
技术领域
本发明涉及集成式磁性变压器组件，该集成式磁性变压器组件包括：第一磁导芯，第一磁导芯形成第一基本闭合磁通路径；以及第二磁导芯，第二磁导芯形成第二基本闭合磁通路径。第一输入电感器绕组被缠绕在第一磁导芯的第一预定段上，并且第二输入电感器绕组被缠绕在第二磁导磁性的第一预定段上。该集成式磁性变压器组件还包括第一输出电感器绕组，该第一输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，该第一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第二预定段上，并且该第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的第二预定段上。第二输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，该第一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第三预定段上，并且该第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的第三预定段上。第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组被配置成产生通过第二基本闭合磁通路径的反向磁通，并且第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被配置成产生通过第一基本闭合磁通路径的对齐的(aligned)(即，朝相同方向的)磁通。该集成式磁性变压器组件非常适合于用在宽范围的单输入、多输入或多输出隔离式电力转换器拓扑中。
背景技术
为了将从两个或更多个独立的输入电压或能源生成的电力合并以生成经调整的DC输出电压，近年来已经提出了多个多输入电力转换器的拓扑。独立输入电压或能源可以例如包括清洁能源，例如太阳能电池阵、风力涡轮机、燃料电池、电池和商用AC电力线。一些已知的多输入电力转换器的共同限制在于：每次仅允许单个输入电压或电源将电力或能量传递至转换器输出以防止制电力耦合效应。这些电力耦合效应可以在电力转换器变压器的初级侧及其相关联的输入驱动器电路中引入环流。因而这些电力耦合效应在电力转换器变压器的初级侧及其相关联的输入驱动器电路中引起相当大的电力损耗并且可以严重地损害驱动器电路。本发明提出了针对单输入多输入隔离式电力转换器的新的电路拓扑，该电路拓扑使用具有次级侧半绕组的新颖的绕组连接的分开的多绕组变压器。支持本发明的理念源于在本申请人的公开的PCT专利申请WO2013/037696“An integrated magneticscomponent”(其涉及针对单输入或多输入电力转换器的新颖的四象限集成式变压器(FQIT))中描述的隔离式电力转换器拓扑。基于FQIT的电力转换器拓扑能够在转换器组件的多个初级侧或输入侧电感器绕组之间进行完全去耦合，使得两个分开的输入电源能够在没有不期望的电力耦合效应的情况下同时地或者在任何时分复用方案下将能量传递到转换器输出中。
在一个方面中，本发明提供了一种新颖的集成式磁性变压器组件，该新颖的集成式磁性变压器组件在电气上等同于FQIT，尽管该新颖的集成式磁性变压器组件拥有明显不同的芯几何结构。尽管由基于FQIT芯几何结构的电力转换器提供的相当多的优点，但是基于FQIT芯几何结构的电力转换器目前仍保持可能需要专用制造工具的定制结构。相比之下，本集成式磁性变压器组件可以基于常规芯几何结构例如E形几何结构的两个磁导芯。这些传统芯几何结构易于以低成本从多个源得到。此外，本集成式磁性变压器组件的等同电路结构能够与对基于本集成式磁性变压器组件的电力转换器的操作原理的直接理解一起方便地进行电气分析和仿真。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种集成式磁性变压器组件，或者一种离散变压器组件，其包括：第一磁导芯，该第一磁导芯形成第一基本闭合磁通路径；以及第二磁导芯，该第二磁导芯形成第二基本闭合磁通路径。第一输入电感器绕组被缠绕在第一磁导芯的第一预定段上，并且第二输入电感器绕组被缠绕在第二磁导芯的第一预定段上。集成式磁性变压器组件还包括第一输出电感器绕组，该第一输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，该第一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第二预定段上，并且该第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的第二预定段上。第二输出电感器绕组包括串联耦合的上半段绕组和第二半绕组，其中，该上半段绕组被缠绕在第一磁导芯的第三预定段上，并且该第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的第三预定段上。第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组被配置成产生通过第二基本闭合磁通路径的反向磁通，并且第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被配置成产生通过第一基本闭合磁通路径的对齐的(即，朝相同方向的)磁通。
第一磁导芯与第二磁导芯之间的第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的各自的第一半绕组和第二半绕组的分布结合由第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的各自的第二半绕组的配置所提供的反向磁通产生多个益处。反向磁通可以引起由电流通过第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组的流动而来的第二磁导芯的第一预定段、第二预定段和第三预定段中的磁通的全部或至少部分的抵消。该磁通抵消引起从第二输出电感器绕组反射回第二输入电感器绕组的电压的有益抑制或消除。后者可以布置在第二磁导芯的初级侧。因此，如下面结合对附图的以下描述进一步说明的，在本集成式磁性变压器组件中已经实现了第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组的全部的或至少部分的磁性去耦合。
第一磁导芯和第二磁导芯中的每一个优选地包括拥有高的磁导的材料，例如软磁材料如铁氧体或铁磁合金如钢板、硅钢、铸钢、钨钢、磁钢、铸铁、镍等。
本集成式磁性变压器组件的第一磁导芯和第二磁导芯优选地是由适当的保持构件或载体以固定或预定空间关系保持的完全分开的机械结构，该保持构件或载体优选地由非磁导材料例如塑料或弹性化合物制成。该预定空间关系可以包括第一磁导芯与第二磁导芯之间的某个最小距离，例如2mm与50mm之间的距离，优选地为至少6mm的距离。以此方式，第一磁导芯结合第一输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组形成第一变压器。同样地，通过第二磁导芯结合第二输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组来形成第二变压器。根据一个实施方式，保持构件包括印刷电路板。保持构件的印刷电路板(PCB)部分可以包括例如通过第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组以及第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的相应导线端子而电连接至这些电感器绕组中相应的电感器绕组的各种外部可访问输入和输出端或块。因此，保持构件可以向集成式磁性变压器组件提供理想的结构完整性和电连接性。电力转换器的其他部件也可以集成在PCB上，使得能够对电力转换器进行有效地模块化。
保持构件的印刷电路板的优选实施方式包括多层印刷电路板，该多层印刷电路板优选地通过在多层PCB中的层中提供输入电感器绕组和输出电感器绕组中的若干个电感器绕组作为相应的绕组图案，来向变压器组件提供另外的灵活性。多层印刷电路板的一个实施方式包括第一通孔和第二通孔。第一磁导芯的公共直腿通过第一通孔而突出，并且第二磁导芯的公共直腿通过第二通孔而突出。绕第一通孔布置有第一板布线图案，该第一板布线图案包括第一输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第一半绕组以及第二输出电感器绕组的第一半绕组中的至少一者。绕第二通孔布置有第二板布线图案，该第二板布线图案包括第二输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第二半绕组以及第二输出电感器绕组的第二半绕组中的至少一者。技术人员将理解，多层印刷电路板可以包括一个或更多个附加通孔以容纳第一磁导芯和第二磁导芯的附加腿，例如针对一对E形磁导芯的四个附加腿。
集成式磁性变压器组件的其他实施方式包括针对第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组中的每一个以及第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组中的每一个的常规的导线类型和导线材料，例如硬铜线或利兹线。集成式磁性变压器组件的其他实施方式可以使用基于上述PCB的布线和常规类型的导线的组合。
本集成式磁性变压器组件的显著优点是第一磁导芯和第二磁导芯可以拥有常规的变压器芯几何结构例如E形、环形、矩形等。因此，第一芯可以包括由三个基本直腿和公共直腿的机械耦合而形成的第一基本矩形芯部，并且第二芯包括由三个基本直腿和公共直腿的机械耦合而形成的第二基本矩形芯。在另一E形芯实施方式中，集成芯变压器组件包括第一磁导E形芯和第二磁导E形芯，其中，所述E形芯中的每一个包括布置在一对相邻外腿之间的公共腿。这些传统的芯几何结构易于以低成本从多个制造商或供应源得到，使得本集成式磁性变压器组件可以从这些传统芯中的两个芯结合适当布置的输入变压器绕组和输出变压器绕组来构造。
可以通过取决于所选择的芯几何结构的第二芯上的不同半绕组布置来实现第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组(这些半绕组产生反向磁通)的有益配置。在优选实施方式中，第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被缠绕在第一芯的公共直腿上；并且第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组被缠绕在第二芯的公共直腿上。第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组朝相同方向连接，并且第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组朝相反方向连接。在该绕组布置中，第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组产生通过第一芯的公共腿的朝相同方向的磁通，而第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组产生通过第二芯的公共腿的朝相反方向的磁通。技术人员将理解，由第二半绕组生成的第二芯中的磁通优选地不仅通过第二芯的公共腿而且在整个第二基本闭合磁通路径的所有点处是反向的。同样地，由第一半绕组生成的第一芯中的磁通优选地在整个第二基本闭合磁通路径的所有点处朝相同方向流动。
第一输入电感器绕组优选地被配置或定向成使得：该第一输入电感器绕组产生朝着与第一半绕组相同的方向的磁通。第二输入电感器绕组优选地被配置或定向成使得：该第二输入电感器绕组产生下述的磁通：该磁通朝着与第一输出电感器绕组的第二半绕组相同的方向并且因而朝着与由第二输出电感器绕组的第二半绕组产生的磁通相反的方向。第一输入电感器绕组优选地被缠绕在第一磁导芯的公共直腿上，并且第二输入电感器绕组优选地被缠绕在第二磁导芯的公共直腿上。在后者实施方式中，在第一芯和第二芯中的每一个上的每个输入电感器绕组与输出电感器绕组中的每一个的第一半绕组和第二半绕组之间保持具有最小磁漏的良好的磁耦合。根据后者实施方式的一个变型，第一输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被相邻地布置在第一芯的公共直腿上。同样地，第二输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组被相邻地布置在第二磁导芯的公共直腿上。技术人员将意识到，布置在第一芯的公共直腿上的输入电感器绕组和输出电感器绕组可以部分地或全部地交叠，即部分地或全部地交错，使得第一芯的第一段和第二段部分地或全部地交叠。上述同样适用于第二芯上的输入电感器绕组和输出电感器绕组。
根据本集成式磁性变压器组件的优选实施方式，第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二半绕组包括相同的匝数，并且第二输出电感器绕组的第一半绕组和第二半绕组包括相同的匝数。技术人员将理解，第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二半绕组的绕组数目在替选实施方式中可以不同，并且第二输出电感器绕组的第一半绕组和第二半绕组的绕组数目也可以不同。然而，第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组的匝数优选地是相同的，以便于在第二芯中的良好的磁通抵消。
本发明的第二方面涉及一种单输入或多输入隔离式电力转换器，该单输入或多输入隔离式电力转换器包括根据其上述实施方式中的任一实施方式的集成式磁性变压器组件。单输入或多输入隔离式电力转换器包括能够连接至第一DC或AC输入电压源的第一输入端。第一输入驱动器在操作上耦合至第一DC或AC输入电压和第一输入电感器绕组以向其提供第一驱动信号。单输入或多输入隔离式电力转换器还包括能够连接至第一DC或AC输入电压或第二DC或AC输入电压源的第二输入端。第二输入驱动器在操作上耦合至第一DC或AC输入电压或第二DC或AC输入电压和第二输入电感器绕组以向其提供第二驱动信号。第一整流器或第一逆变器元件在操作上耦合在第一转换器输出与所述第一输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的一对绕组端子之间，并且第二整流器或第二逆变器元件在操作上耦合在第二转换器输出与第二输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的一对绕组端子之间。
本单输入或多输入隔离式电力转换器可以包含在宽范围的有用的DC-DC或DC-AC电力转换器拓扑中。DC-DC隔离式电力转换器拓扑包括第一整流器和第二整流器，以对在第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的相应对绕组端子之间提供的第一AC电压和第二AC电压进行整流。第一整流器和第二整流器中的每一个可以包括基于半导体二极管或半导体二极管桥或晶体管开关的同步整流器。如结合附图在下面进一步说明的，DC-DC隔离式电力转换器拓扑包括DC-DC隔离式升压转换器、DC-DC隔离式降压转换器、DC-DC双有源桥(DAB)转换器、隔离式双电感器一电容器(LLC)谐振DC-DC电力转换器等。第一转换器输出和第二转换器输出可以是分开的电压节点，其提供单输入或多输入隔离式DC-DC电力转换器的独立的或分开的两个整流DC输出电压。在其他有用实施方式中，第一转换器输出和第二转换器输出被耦合至公共输出节点以提供电力转换器的单个整流DC输出电压。
通常指定为电力逆变器的DC-AC隔离式电力转换器拓扑包括第一逆变器元件和第二逆变器元件，以在将第一转换器输出和第二转换器输出用作DC-AC隔离式电力转换器的相应AC输出电压之前来传输第一AC电压和第二AC电压并且可能地对第一AC电压和第二AC电压进行滤波，该第一AC电压和第二AC电压在串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的相应对绕组端子之间生成。因此，第一逆变器元件和第二逆变器元件可以例如包括相应的平滑电感器。
最终，技术人员将理解，在本电力转换器的单输入实施方式中，本隔离式电力转换器的第一输入端和第二输入端可以耦合至单个公共DC或AC输入电压。在后者实施方式中，第一输入驱动器和第二输入驱动器有效地并联耦合至第一DC或AC输入电压源。
技术人员将意识到，第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组的名称“输入”以及第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的名称“输出”均是任意性的，并且可以根据集成式磁性变压器组件如何以特定隔离式电力转换器设计来电互联或电耦合而进行互换。该特征是所有变压器功能的相互性的固有结果。
因而，根据本单输入或多输入隔离式电力转换器的替选组的实施方式，第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组在操作上连接至电力转换器的初级侧的相应输入，而第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组在操作上耦合至电力转换器的次级侧的公共输出或分开的输出。根据这些所谓的侧变换绕组实施方式，单输入或多输入隔离式电力转换器包括根据其上述实施方式中的任一实施方式的集成式磁性变压器组件。多输入隔离式电力转换器的第一输入端能够连接至第一DC或AC输入电压，并且第一输入驱动器在操作上耦合至第一DC或AC输入电压以及第一输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的绕组端子对以向其提供第一驱动信号。第二输入端能够连接至第一DC或AC输入电压或第二DC或AC输入电压，并且第二输入驱动器在操作上耦合至第一DC或AC输入电压或第二DC或AC输入电压以及第二输出电感器绕组的串联连接的第一半绕组和第二半绕组的绕组端子对以向其提供第二驱动信号。第一整流器或第一逆变器元件在操作上耦合在第一转换器输出与第一输入电感器绕组之间，并且第二整流器或第二逆变器元件在操作上耦合在第二转换器输出与第二输入电感器绕组之间。
单输入或多输入隔离式电力转换器的升压拓扑可以包括耦合在第一DC或AC输入电压与第一输入驱动器之间的第一升压电感器以及耦合在第二DC或AC输入电压与第二输入驱动器之间的第二升压电感器。单输入或多输入隔离式电力转换器的降压拓扑可以包括分别耦合在第一整流器和第二整流器的输出与公共或共享转换器输出之间的分开的第一降压电感器和第二降压电感器。本多输入隔离式电力转换器的特定的有益的降压实现包括耦合在公共转换器输出与第一整流器和第二整流器的输出的公共节点之间的单个或第一降压电感器。本单输入或多输入隔离式电力转换器的某些降压拓扑的共享公共降压电感器的能力是唯一的优点。
第一输入驱动器和第二输入驱动器中的每一个可以包括公知的驱动器拓扑，例如配置以用于在第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组之间施加驱动信号的半桥式驱动器或H桥式驱动器。根据一个这样的实施方式，第一输入驱动器包括具有连接至第一输入电感器绕组的相应绕组端子的一对互补性输出的第一H桥。此外，第二输入驱动器包括具有连接至第二输入电感器绕组的相应绕组端子的一对互补性输出的第二H桥。分别施加至第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组的第一驱动信号和第二驱动信号优选地包括相应的PWM调制驱动信号。可以通过多输入隔离式电力转换器的适当的反馈控制回路来对第一PWM调制驱动信号和第二PWM调制驱动信号的占空比进行调整以提供转换器输出电压控制或调整。每个输入驱动器可以包括用于形成公知的驱动器拓扑的单个或多个适当布置的半导体开关，例如IGBT开关或MOSFET开关。
技术人员将理解，第一整流器和第二整流器中的每一个可以包括多个整流元件例如半导体二极管，例如配置为半波整流器的两个半导体二极管或配置为全波整流器的四个半导体二极管。在替选实施方式中，第一整流器和第二整流器中的每一个可以包括配置为相应的有源二极管以能够进行同步整流并且支持反向电力传递的多个晶体管开关例如MOS-FET。
第一转换器输出和第二转换器输出可以以不同方式来配置。在多个有用实施方式中，对第一转换器输出和第二转换器输出进行合并以形成产生多输入隔离式电力转换器的单个DC输出电压的公共输出节点。一个或若干个输出电容器可以耦合至公共输出节点以对由第一整流器和第二整流器的输出处的相应整流电压波形在DC输出电压中产生的纹波电压进行抑制。根据这些实施方式，通过对来自第一整流器和第二整流器的电压或电力分布进行合并来产生DC输出电压。单输入或多输入隔离式电力转换器的替选实施方式被配置成在分开的输出电压端处产生分开的第一和第二DC输出电压或分开的第一和第二AC输出电压。由于由变压器绕组的输入和输出之间的耦合所引起的交叉调节，在基于传统变压器芯几何结构的现有技术的多输入电力转换器中，使用分开的DC输出电压已经是不可能的。然而，由集成式磁性变压器组件实现的对第一输入变压器绕组和第二输入变压器绕组以及第一输出变压器绕组和第二输出变压器绕组的去耦合使得分开的第一DC输出电压和第二DC输出电压完全独立。
因此，相同的隔离式电力转换器可以容易地适合于安装各种不同的电力转换器或逆变器应用，并且因而可以减少特定电力转换器拓扑的所需的变型的数目。因此，本隔离式电力转换器能够降低组件成本、部件成本、采购成本等。由本单输入或多输入隔离式电力转换器所提供的灵活性特别适合于与通常生成针对电力转换器的宽范围的不同输入电压的清洁能源如光伏电池有关的电力转换。
最后，技术人员将理解，本集成式磁性变压器组件还可以集成在例如为反激式拓扑、正激式拓扑、推挽拓扑、SEPIC拓扑、倍流整流器拓扑等的多个其他的公知DC隔离式电力转换器拓扑中。
附图说明
将结合附图来更详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中：
图1A是包括两个完全并行的转换器和公共转换器输出的现有技术的双输入隔离式升压DC-DC电力转换器的示意图，
图1B是包括耦合至单个转换器输出的串联连接的次级绕组的现有技术的双输入隔离式升压DC-DC电力转换器的示意图，
图2是根据本发明的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的示意图，
图3是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的双输入隔离式升压DC-DC电力转换器的示意图，
图4示出了描绘针对第一输入电压波形与第二输入电压波形之间的90度相角偏移的双输入隔离式升压DC-DC转换器的相应输入波形、绕组电压波形和输出电压波形的多个图，
图5A是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的第一类型的双输入隔离式降压DC-DC电力转换器的示意图，
图5B是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的第二类型的双输入隔离式降压DC-DC电力转换器的示意图，
图6是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的双输入DAB拓扑DC-DC电力转换器的示意图，
图7是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的双输入隔离式LLC拓扑DC-DC电力转换器的示意图，
图8是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的具有侧变换绕组布置的双输入DC-DC电力转换器的示意图，
图9是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件的双输入双输出隔离式升压DC-DC电力转换器的示意图，
图10A示出了现有技术的多输入DC-DC升压电力转换器的DC输入电压源的输入电压范围；以及
图10B示出了根据本发明的优选实施方式的图3上所描绘的多输入隔离式升压DC-DC电力转换器的第一DC输入电压源和第二DC输入电压源的输入电压范围。
具体实施方式
图1A示出了包括两个完全并行的转换器和公共转换器输出的现有技术的双输入隔离式升压DC-DC电力转换器的示意图。电力转换器包括两个转换器级，这两个转换器级分别绕变压器T1和变压器T2构造并且及完全并行地利用公共输出电容器C进行操作。两个变压器T1和是完全分开的。T1的输入电感器绕组或初级绕组由包括MOSFET开关M1-M4的第一H桥式驱动器驱动，而T2的输入电感器绕组由包括MOSFET开关M5-M8的分开的第二H桥式驱动器驱动。
该现有技术的电力转换器拥有具有跨输出电容器C的公共输出DC输出的升压类型的结构或拓扑，使得每次仅允许一个转换器级将能量从DC输入电压源V1和V2中的任一个传递至负载RL。另一方面，另一转换器级停止工作，这是因为如果存在两个转换器级的输入之间的任何占空比失配、相位失配或输入电压失配则另一转换器级的H桥整流器被阻塞。即使该问题可以利用输入电流控制来解决，但是在降压拓扑多输入电力转换器中产生了类似以及甚至更困难的问题。在跨输出输出电容器C的DC输出电压V0与第一DC输入电压V1和第二DC输入电压V2之间的电压传递函数分别可以被示出为：
和
其中，n1是变压器T1与变压器T2中的每一个的匝数比；D1是由第一H桥式驱动器施加至第一输入电感器绕组和初级绕组P1的第一PWM驱动信号的占空比；D2是施加至T2的第二输入电感器绕组或初级绕组P2的第二PWM驱动信号的占空比。
两个DC电压传递函数是独立的，使得电力转换器的DC输出电压V0仅通过单个输入电压源及其相应占空比来确定。
图1B是包括分别绕变压器T1和变压器T2构建的两个完全并行的转换器级以及公共转换器输出的另一现有技术的双输入隔离式升压DC-DC电力转换器的示意图。然而，变压器T1和T2的次级绕组S1和S2被布置成串联连接至包括二极管D1-D4的单个共享全波整流器。整流器的输出耦合至单个输出电容器C。当变压器T1活跃时，该电力转换器拓扑使得两个转换器级能够以第二H桥式输入驱动器(MOSFET M5-M7)和变压器T2的初级侧中的不期望的且相对大的环流为代价、在PWM调制驱动信号之间的一定范围的相移内将能量从输入源V1和V2传递至负载RL。环流导致在该现有技术的DC-DC电力转换器中的基本电力损耗。
下面所公开的根据本发明的各种示例性实施方式的多输入隔离式电力转换器的范围是基于图2上所描绘的新颖的集成式磁性变压器组件200。多输入隔离式电力转换器的该范围消除了上述的现有技术的双输入隔离式升压DC-DC电力转换器的操作限制和缺点。
图2是根据本发明的优选实施方式的集成式磁性变压器组件200或离散变压器组件的示意图。集成式磁性变压器组件包括第一磁导芯202和分开的第二磁导芯210。第一磁导芯202是包括布置在一对相邻的外腿207,205之间的基本笔直的中心腿203的E形芯。当输入电流流过第一输入电感器绕组P1时，平行的第一和第二基本闭合磁通路径Φ1分别延伸通过中心腿203以及第一外腿207和第二外腿205。第二磁导芯210也是E形的，并且可以具有与第一磁导芯202基本上相同的尺寸和磁性。第二磁导芯210包括布置在一对相邻的外腿215，213之间的基本笔直的中心腿211。当输入电流流过第二输入电感器绕组P2时，平行的第一和第二基本闭合磁通路径Φ2分别延伸通过中心腿211以及第一外腿215和第二外腿213。技术人员将意识到，第一磁导芯和第二磁导芯中的每一个可以拥有除本实施方式的E形形状之外的各种其他形状，例如环形、矩形等。第一磁导芯202和第二磁导芯210中的每一个优选地分别包括拥有高的磁导的材料，例如软磁材料如铁氧体或铁磁合金如钢板、硅钢、铸钢、钨钢、磁钢、铸铁、镍等。
第一输入电感器绕组P1被缠绕在第一磁导芯或第一芯202的直的中心腿203的第一预定段上，并且第二输入电感器绕组P2被缠绕在第二磁导芯或第二芯210的直的公共中心腿211的第一预定段上。集成式磁性变压器组件200还包括第一输出电感器绕组，该第一输出电感器绕组包括分别串联耦合的第一半绕组S1和第二半绕组S3。第一半绕组S1被缠绕在第一芯202的中心腿203上并且被布置成与第一输入电感器绕组P1相邻。第二半绕组S3被缠绕在第二芯210的公共中心腿211上并且被布置成与第二输入电感器绕组P2相邻。集成式磁性变压器组件200的第二输出电感器绕组包括分别串联或级联耦合的第一半绕组S2和第二半绕组S4。第一半绕组S2被缠绕在第一芯202的公共中心腿203上并且被布置成与第一输入电感器绕组P1相邻。第二半绕组S4被缠绕在第二芯210的公共中心腿211上并且被布置成与第一输出电感器绕组的第二半绕组S3相邻。以此方式，在第一输入电感器绕组P1、第一输出电感器绕组的第一半绕组S1以及第二输出电感器绕组的第一半绕组S2之间保持具有最小磁漏的良好的磁耦合。同样地，在第二输入电感器P2、第一输出电感器绕组的第二半绕组S3以及第二输出电感器绕组的第二半绕组S4之间保持具有最小磁漏的良好的磁耦合。如下面详细说明的，第一输出和第二输出或次级电感器绕组的四个分开的分半绕组S1、S2、S3和S4具有特殊连接，该特殊连接导致两个初级电感器绕组或输入电感器绕组P1、P2的之前所讨论的有益的去耦合。第一芯202结合第一输入电感器绕组P1、第一输出电感器绕组的第一半绕组S1以及第二输出电感器绕组的第一半绕组S2形成第一变压器T1。同样地，第二芯210结合第二输入电感器绕组P2、第一输出电感器绕组的第二半绕组S3以及第二输出电感器绕组的第二半绕组S4形成第二变压器T2。
通过指示闭合磁通路径Φ1的虚线上的相应磁通箭头来指示通过第一芯202的中心腿203和外腿205，207的磁通的方向。所描绘的通过中心腿203的磁通的方向由针对流进第一输入电感器绕组P1的绕组端子A并且流出绕组端子B的电流的公知的右手法则来产生。第一输出电感器绕组的第一半绕组S1和第二输出电感器绕组的第一半绕组S2中的每一个朝着与绕公共中心腿203的P1相同的方向被缠绕。因此，磁通沿闭合磁通路径Φ1通过公共中心腿203的流动导致在半绕组S1中生成了从所描绘的绕组端子E流至串联耦合的半绕组S3的末端处的绕组端子F的正向电流。通过绕组上的电流箭头来指示流过半绕组S1和S3的电流的方向。再次对流过半绕组S3的所描绘方向的电流来应用右手法则，产生了朝着通过指示闭合磁通路径Φ2的粗虚线上的磁通箭头所指示的方向而通过第二芯201的公共中心腿211的所产生的磁通。这是与经由流进第二输入电感器绕组P2的绕组端子C并且流出第二输入电感器绕组P2的绕组端子D的正向电流所感应的磁通方向相同的磁通。
然而，如在附图中所示，第二输出电感器绕组的第二半绕组S4具有相对于串联连接的第一半绕组S2的相反连接或绕组取向，使得流进绕组端子G、通过串联连接的半绕组S2和S4并且流出S4上的绕组端子H的电流产生相对于S2中的电流方向的S4中的相反电流方向。这由反向的电流箭头Is2和Is4示出，Is2指示S2中的电流流动的方向，而Is4指示S4中的电流流动的方向。通过再次对S4中的所指示方向的电流流动来应用右手法则，获得通过用点线表示的闭合磁通路径Φ4的所描绘方向的感应磁通。因此，由通过公共中心腿211流进半绕组S4的电流所感应的磁通朝着与由通过公共中心腿211流进半绕组S3和第二输入电感器绕组P2的电流所感应的磁通相反的方向流动。由半绕组S4生成的相同的反向磁通Φ4延伸通过整个闭合磁通路径Φ2。这在第二芯210的公共中心腿211中产生了有益的磁通抵消并且还在芯210的其余腿中产生了磁通抵消。技术人员将意识到，如果半绕组S3和S4基本上相同即拥有相同数目的绕组，则公共中心腿211中的磁通抵消可以是部分的或者基本上完全的。
为了总结集成式磁性变压器组件200的电感器绕组布置的功能，第一输出电感器绕组的第二半绕组S3和第二输出电感器绕组的第二半绕组S4被配置或定向成产生通过第二芯210的闭合磁通路径Φ4和Φ2的反向磁通。第一输出电感器绕组的第一半绕组S1和第二输出电感器绕组的第一半绕组S2被配置成产生通过第一基本闭合磁通路径Φ1的对齐的(即，朝相同方向的)磁通。在本实施方式中，已经通过产生磁通方向的反向的第二半绕组S4的反向绕组布置实现了第二芯210的公共中心腿211中的磁通的抵消。然而，技术人员将理解，在本发明的其他实施方式中，第二输入电感器绕组可以布置在中心腿S211上，而输出电感器绕组的第一半绕组和第二半绕组中的一者或二者可以布置在外腿之一上。在一个示例性实施方式中，第二半绕组S4被移至第二外腿213，而其余的电感器绕组被保持为如图2上所示。然而，第二半绕组S4现在被布置成具有与第一半绕组S2相同的绕组取向，其导致由第二半绕组S4生成相对于由第二半绕组S3生成的通过闭合磁通路径Φ2的磁通的通过闭合磁通路径Φ4的反向磁通。因此，通过该替选置换以及第二芯210上的第二半绕组S4的方向也实现了磁通抵消。
通过第二芯210的公共中心腿211的磁通的抵消或抑制引起了在第二输入电感器绕组P2中的感应电压的相应消除或至少抑制。因此，部分地或全部地消除了经由输入电流流过第一输入电感器绕组P1的第二输入电感器绕组P2中的电压的感应，其产生了集成式磁性变压器组件200的输入电感器绕组P1和P2的之前所讨论的高度有益的去耦合。自然地，由于变压器作用和组件的相互性，以类似的方式部分地或全部地消除了经由输入电流流过第二输入电感器绕组P2的第一输入电感器绕组P1中的电压的感应。
图3是包括根据其上述的优选实施方式的集成磁通变压器组件200的双输入单输出隔离式升压DC-DC电力转换器300的示意图。已经通过上面图2上所描绘的机械变压器结构的电气等同结构描绘了集成式磁性变压器组件200。请注意已经分别保留了第一芯202和第二芯210的各种输入和输出电感器绕组的之前的命名约定以便于交叉引用。如图上所指示的，匝数比为1:n，其中n可以具有0.1至100之间的值，例如2与16之间的值。匝数比被定义为第一输入和第二输入或初级侧电感器绕组P1和P2中的每一个的输入电感器绕组的数目相对于相应输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组S1和第二半绕组S3或者第一半绕组S2和第二半绕组S4上的总的绕组数目之比。
双输入单输出隔离式升压DC-DC电力转换器300或DC-DC电力转换器包括独立操作的第一转换器部或级和第二转换器部或级。第一转换器部包括第一输入驱动器，该第一输入驱动器包括基于MOS-FET的H桥M1-M4，H桥M1-M4通过一对绕组端子或端A，B电耦合至第一输入电感器绕组P1。第一输入驱动器的输入侧耦合至与示意性地描绘为理想电压源的输入电压或电源V1串联布置的升压电感器L1。第一H桥式驱动器被配置成将例如包括第一PWM调制驱动信号的第一驱动信号提供给第一输入电感器绕组P1。DC-DC电力转换器300还包括第二输入驱动器，该第二输入驱动器同样包括基于MOS-FET的第二H桥，该第二H桥包括通过一对绕组端子或端C，D而电耦合至第二输入电感器绕组P2的M5-M8。第二输入驱动器的输入耦合至与示意性描绘为理想电压源的第二输入电压或电源V2串联布置的第二升压电感器L2。第二H桥被配置成将例如包括第二PWM调制驱动信号的第二驱动信号提供给第二输入电感器绕组P2。可以以常规的方式例如通过反馈控制回路来选择性地调节PWM调制的第一驱动信号和第二驱动信号中的每一个的占空比以控制整流DC输出电压V0。
输入电压源V1的DC电压可以根据其类型和特定特征来显著地变化。DC电压可以例如具有5V与100V之间的值，并且上述同样适用于第二输入电压源V2的DC电压。
包括串联耦合的第一半绕组S1和第二半绕组S3的第一输出电感器绕组的端子E，F分别电耦合至绕半导体二极管D1-D4构建的第一全桥式输出整流器。因此，由绕芯202的第一转换器级提供的输入电压和电力被传递至由跨输出电容器C和并联的负载电阻器RL的第一全桥式输出整流器的输出所提供的整流DC输出电压V0。另外，包括串联耦合的第一半绕组S2和第二半绕组S4的第二输出电压器绕组的端子G，H分别电耦合至绕半导体二极管D5-D8构建的第二全桥式输出整流器。第二全桥式输出整流器的输出并联地耦合至第一全桥式整流器的输出。因此，由绕芯210的第二转换器级所提供的输入电压和电力被传递至跨输出电容器C和并联的负载电阻器RL的整流DC输出电压V0。然而，由本集成式磁性变压器组件200提供的两个初级电感器绕组或输入电感器绕组P1，P2的先前所讨论的去耦合消除了上面结合图1A和图1B上所描绘的现有技术的DC-DC转换器所讨论的电力耦合效应和环流。通过在第二输出电感器绕组的第二半绕组S4和第一输出电感器绕组的第二半绕组S3中的所指示的反向方向的电流流动来示意性示出去耦合机制。通过跟踪如通过电流箭头iTS1所指示的流过串联耦合的半绕组S1和S3的电流流动的方向以及如通过电流箭头iTS2的流过串联耦合的半绕组S2和S4的电流流动的方向，容易明白，电流朝相反方向流过半绕组S3和S4。如图2中所示，这些半绕组均绕同一芯210的公共中心腿211布置。因此，如上所述，由这些绕组电流所感应的磁通是反向的并且通过公共中心腿而抵消。因此，消除了由来自流入第二芯210的次级侧或输出侧上的半绕组S3和S4的电流的所产生的磁通来反射回第二芯210的输入电感器绕组P2的电压，使得消除了绕输入电感器绕组P2及其相关联的输入驱动器的环境的上述生成。
在跨输出电容器C的DC输出电压V0与第一DC输入电压V1和第二DC输出电压V2之间的电压传递函数具有公共的传递函数，该传递函数可以被示出为：
其中，n1是第一芯202的匝数比，n2是第二芯210的匝数比；D是由H桥式输入驱动器中的每一个施加至相应输入电感器绕组P1和P2的相同PWM输入驱动信号的占空比；因此，存在公共的电压传递函数，使得通过两个DC输入电压V1和V2的加权合并来确定DC输出电压V0。如果两个DC输入电压相等，则本电力转换器300具有与图1A上所描绘并且在上面所述的现有技术的升压类型的电力转换器相同的电压传递函数。
当第一芯202和第二芯210的匝数相等时，该电压传递函数简化为：
该电压传递函数针对施加至第一输入电感器绕组P1和第二输入电感器绕组P2的PWM驱动信号之间的零相差或相移是有效的。本DC-DC电力转换器300的电压传递函数导致非常宽的输入电压范围和宽的输出电压范围，使得能够满足对最小和最大DC输入电压和/或DC输出电压上的变化的应用特定约束。此外，若干个变压器设计参数尤其是匝数比n1和n2对电力转换器的设计者是可用的。因此，电力转换器设计者保留有电力转换器的定制性能指标(包括输入电压范围和输出电压范围)的相当大的灵活性，使得电力转换器设计能够在宽范围的应用中有效地操作。
本DC-DC电力转换器300的另一显著优点在于：通过控制施加至第一输入电感器绕组P1和第二输入电感器绕组P2的PWM驱动信号之间的相差(交错)，DC输出电压V0是可调节的。这提供了与设计控制方案以及针对DC输出电压控制的设备有关的显著的灵活性优点。如果占空比保持恒定，并且采用相移控制来调节DC输出电压V0，则当相移是0°或180°时实现最大DC输出电压。当相移是90°时实现最小DC输出电压V0。
为了示出本DC-DC电力转换器300的有益性质，可以考虑与上面所讨论的图1A的现有技术的电力转换器的以下比较。两个DC输入电压源均是PV源。为了从PV板中提取最大电力或能量，通常需要针对每个PV板的单独的最大电力点跟踪(MPPT)控制。电力转换器输出连接至期望的DC电压例如150V处的恒定DC总线。对于图1A的现有技术DC-DC升压电力转换器，在图10A的图1000上示出了针对DC输入电压源V1和V2中的每一个的输入电压范围。如在图1000的x轴上所指示的，第一DC输入电压和第二DC输入电压均不能降至11.3V处的所指示的下限以下。在该下限电压值以下，该现有技术的DC-DC升压电力转换将以过高的占空比D进行操作，其导致转换效率、栅极驱动器性能等方面的转换性能的恶化。在本示例中，最大可允许占空比D被设置为85％的示例值。将相同的占空比限制或约束施加于考虑上面所列出的DC电压传递函数的本DC-DC电力转换器300，明显的是，已经放宽了最低DC输入电压约束(11.3V以上)。因此，使得能够关于第一DC输入电压源和第二DC输入电压源而增加相当大的灵活性。用点线表示的水平面1011示出了在上面所讨论的85％或0.85的占空比D下的第一DC输入电压源和第二DC输入电压源的下限电压。针对该约束，下限电压可以例如为V1＝5V和V2＝17.5V或V1＝V2＝11.3V。图10B的图1010的表面1013描绘了分别由第一DC输入电压源和第二DC输入电压源针对150V的固定DC输出电压所提供的PWM驱动信号(竖直轴)以及DC电压V1和V2(x轴和y轴)的公共占空比D之间的3D关系。因而明显的是，本DC-DC电力转换器300适用于多种电源，例如可以同时暴露于不同环境条件的一对太阳能电池板(例如，一个太阳能电池板被树或建筑物的阴影遮蔽，而另一太阳能电池板暴露于直射阳光；或者一个太阳能电池板面向东，而另一太阳能电池面向西)。具有若干个输入电压/能源之间的不同输入电压以及在时间上的变化的电压电平的这些能源特性通常在可再生能量应用中找到。因此，由于转换器300的宽的输入电压范围和宽的转换器输出电压范围，所以本DC-DC电力转换器300特别良好地适于形成这些类型的输入能源的有效接口。
图4示出了描绘图3的双输入隔离式升压DC-DC转换器300的相应输入波形、绕组电压波形和输出电压波形的多个图405-450。在图的最低部分处通过竖直的点线和相应的时间附图标记t0、t1、t2、t3、t4来指示电流和电压波形的相位1-4。所描绘的电压和电流波形表示分别针对第一输入电感器绕组P1和第二输入电感器绕组P2的第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号之间的90度的相角偏移。因此，双输入隔离式升压DC-DC转换器300的分别绕变压器T1和变压器T2的第一转换器级和第二转换器级以90度的相移进行操作。
上部的图405,410示出了第一H桥式输入驱动器的MOSFET开关M1-M4的MOSFET开关驱动信号S1,2和S3,4的相应PWM波形。之后的图415,420示出了第二H桥式输入驱动器的MOSFET开关M5-M8的MOSFET开关驱动信号S5,6和S7,8的相应PWM波形。
图425示出了施加至第一输入电感器绕组或初级侧电感器绕组P1的第一PWM驱动信号VA,B的波形。该波形具有周期时间T和75％的占空比。如所指示的，图430示出了施加至第二输入电感器绕组或初级侧电感器绕组P2的第二PWM驱动信号VC,D的90度相移波形。该信号具有与第一驱动信号相同的周期时间T和约75％的开关占空比。
图435,440示出了P1和P2中的绕组电流的各个相应电流波形。明显的是，在相位2和相位4中对第一升压电感器L1和L2中的每一个进行充电，并且在相位1和相位3中对第一升压电感器L1和L2中的每一个放电至它们的各个初级侧电感器绕组P1，P2，尽管具有相反的极性。
图445描绘了跨第一输出电感器绕组的端子E，F所感应的电压波形VEF，第一输出电感器绕组包括分别串联耦合的第一半绕组S1和第二半绕组S3。图450描绘了跨第二输出电感器绕组的端子G，H而感应的电压波形VGH，第二输出电感器绕组包括分别串联耦合的第一半绕组S2和第二半绕组S4。在次级变压器绕组或输出变压器绕组的电压波形VEF或VGH中清楚地反映了第一PWM输入驱动信号与第二PWM输入驱动信号之间的90度的相移。
图5A是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件200的双输入单输出隔离式降压DC-DC电力转换器500的示意图。在本降压DC-DC电力转换器中的集成式磁性变压器组件200的应用提供了用于共享输出电感器或降压电感器L1和输出电容器C的唯一可能性。因此，降压DC-DC电力转换器实现了与现有技术的双输入降压类型的DC-DC电力转换器相比的外部部件的数目的显著减少。
图5B是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件200的双输入单输出隔离式降压DC-DC电力转换器550的另一实施方式的示意图。与上述第一降压转换器500相比，本实施方式包括耦合在DC-DC电力转换器550的第一整流器输出和第二整流器输出以及公共的DC输出中的各个输出之间的分开的第一输出/降压电感器L1和第二输出/降压电感器L2。
图6是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件200的双输入有源桥(DAB)拓扑DC-DC电力转换器600的示意图。第一有源全波整流器绕MOS-FET S1-S4来形成，并且第二有源全波整流器绕MOS-FET S5-S8来形成。
图7是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件200的双输入隔离式两电感器(Ll1和Ll2)和电容器(C1和C2)(LLC)拓扑DC-DC电力转换器700的示意图。
图8是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件200的具有侧变换绕组的双输入升压DC-DC电力转换器800的示意图。在本发明的该实施方式中，第一输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组S1和第二半绕组S3的端子耦合至DC-DC电力转换器的输入侧，更具体地为第一输入H桥式驱动器的互补性输出。同样地，第二输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组S2和第二半绕组S4的端子还耦合至DC-DC电力转换器的输入侧，更具体地耦合至第二H桥式驱动器的互补性输出。因此，这些半绕组的字母附图标记已经从‘S’改变成‘P’。第一输入电感器绕组或初级侧电感器绕组P1和第二输入电感器绕组或初级侧电感器绕组P2现在布置在DC-DC电力转换器800的输出侧处，更具体地耦合至相应的第一全桥式整流器和第二全桥式整流器。因此，这些输入电感器绕组的字母附图标记已经从‘P’改变成‘S’。技术人员将理解，本双输入升压DC-DC电力转换器800可以通过简单地反转集成式磁性变压器组件200的变压器T1和变压器T2中的每一个的匝数比n来拥有与图3的先前所讨论的双输入升压DC-DC电力转换器实施方式300基本上相同的电力转换器特性。因此，技术人员将意识到，第一输入电感器绕组P1和第二输入电感器绕组P2的名称“输入”以及第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的术语“输出”均是任意性并且可以根据集成式磁性变压器组件200在特定DC-DC电力转换器设计中如何被耦合来进行互换。
图9是包括根据其上述的优选实施方式的集成式磁性变压器组件200的双输入双输出隔离式升压DC-DC电力转换器900的示意图。本升压DC-DC电力转换器900包括跨两个分开的输出电容器C1和C2所设置的两个分开的转换器DC输出电压V01和V02。先前所讨论的隔离式升压DC-DC电力转换器300被配置成产生具有公共的DC输出电压的单个转换器输出。然而，创造性的集成式磁性变压器组件200还可以用在多输入双输出电力转换器拓扑中。由包括二极管D1-D4的第一全波整流器生成第一DC输出电压V01，二极管D1-D4具有耦合至第一输出电感器绕组的第一半绕组S1和第二半绕组S3的绕组端子E，F的相应输入。由包括二极管D5-D8的第二全波整流器生成第二DC输出电压V02，二极管D5-D8具有耦合至第二输出电感器绕组的第一半绕组S2和第二半绕组S4的绕组端子G，H的相应输入。在传统的或现有技术的多输出DC-DC电力转换器中，与转换器输出相关联的交叉调节使得输出电压控制或调节是困难的。如果转换器输出之一是重负荷或轻负荷的，则DC-DC电力转换器可以停止运行。然而，本双输入双输出隔离式升压DC-DC电力转换器900使得两个分开的转换器DC输出电压V01和V02完全独立。即使多个变压器绕组被用在第一变压器T1和第二变压器T2上，DC输出电压V01和V02也是去耦合的。另一优点在于：通过第一负载电阻器RL1和第二负载电阻器RL2示意性地示出的相应转换器负载能够对通过输入电压或能源V1和V2二者所传递的总能量进行共享。可以通过对分别施加至第一变压器T1和第二变压器T2的第一输入电感器绕组P1和第二输入电感器绕组P2的先前讨论的PWM驱动信号的相位进行偏移(交错)来控制第一转换器输出和第二转换器输出处的第一负载电阻器RL1和第二负载电阻器RL2之间的输出电力的分布。例如，当PWM输入驱动信号之间的相移为零时，将全部的输出电力传递至第一负载电阻器RL1，而将零输出电力传递至第二负载电阻器RL2。如果将PWM驱动信号之间的相移调整至90度，则在第一负载电阻器RL1与第二负载电阻器RL2之间均等地分割输出电力。如果将PWM输入驱动信号之间的相移设置为180度，则将全部的输出电力传递至第二负载电阻器RL2，而将零输出电力传递至第一负载电阻器RL1。可以通过适当地设置PWM输入驱动信号之间的相移来获得第一转换器负载与第二转换器负载之间的任何其他的期望的电力分布。

Claims (15)

1.一种集成式磁性变压器组件，包括：
-第一磁导芯，所述第一磁导芯形成第一基本闭合磁通路径，
-第二磁导芯，所述第二磁导芯形成第二基本闭合磁通路径，
-第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组，所述第一输入电感器绕组被缠绕在所述第一磁导芯的第一预定段上，所述第二输入电感器绕组被缠绕在所述第二磁导芯的第一预定段上，
-第一输出电感器绕组，所述第一输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，第一半绕组被缠绕在所述第一磁导芯的第二预定段上，并且第二半绕组被缠绕在所述第二磁导芯的第二预定段上；
-第二输出电感器绕组，所述第二输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，第一半绕组被缠绕在所述第一磁导芯的第三预定段上，并且第二半绕组被缠绕在所述第二磁导芯的第三预定段上；
其中，所述第一输出电感器绕组的第二半绕组和所述第二输出电感器绕组的第二半绕组被配置成产生通过所述第二基本闭合磁通路径的反向磁通；并且
所述第一输出电感器绕组的第一半绕组和所述第二输出电感器绕组的第一半绕组被配置成产生通过所述第一基本闭合磁通路径的对齐磁通。
2.根据权利要求1所述的集成式磁性变压器组件，其中，所述第一输出电感器绕组的第一半绕组和所述第二输出电感器绕组的第一半绕组被缠绕在所述第一磁导芯的公共直腿上；并且
所述第一输出电感器绕组的第二半绕组和所述第二输出电感器绕组的第二半绕组被缠绕在所述第二磁导芯的公共直腿上；其中，
所述第一输出电感器绕组的第一半绕组和所述第二输出电感器绕组的第一半绕组朝相同方向连接，并且所述第一输出电感器绕组的第二半绕组和所述第二输出电感器绕组的第二半绕组朝相反方向连接。
3.根据权利要求2所述的集成式磁性变压器组件，其中，所述第一输入电感器绕组被缠绕在所述第一磁导芯的公共直腿上；并且
所述第二输入电感器绕组被缠绕在所述第二磁导芯的公共直腿上。
4.根据权利要求3所述的集成式磁性变压器组件，其中：
-所述第一输入电感器绕组、所述第一输出电感器绕组的第一半绕组以及所述第二输出电感器绕组的第一半绕组被相邻地布置在所述第一磁导芯的公共直腿上；并且
-所述第二输入电感器绕组、所述第一输出电感器绕组的第二半绕组以及所述第二输出电感器绕组的第二半绕组被相邻地布置在所述第二磁导芯的公共直腿上。
5.根据权利要求2所述的集成式磁性变压器组件，其中：
-所述第一磁导芯包括通过三个基本直腿和公共直腿的机械耦合而形成的第一基本矩形芯部；以及
-所述第二磁导芯包括通过三个基本直腿和公共直腿的机械耦合而形成的第二基本矩形芯部。
6.根据权利要求5所述的集成式磁性变压器组件，包括第一磁导E形芯和第二磁导E形芯，所述第一磁导E形芯和所述第二磁导E形芯每个都包括布置在一对相邻外腿之间的公共腿。
7.根据权利要求1所述的集成式磁性变压器组件，包括附着至所述第一磁导芯和所述第二磁导芯以将它们以预定空间关系固定的保持构件。
8.根据权利要求7所述的集成式磁性变压器组件，其中，所述保持构件包括印刷电路板。
9.根据权利要求4所述的集成式磁性变压器组件，包括具有第一通孔和第二通孔的多层印刷电路板；
所述第一磁导芯的公共直腿通过所述第一通孔而突出，并且所述第二磁导芯的公共直腿通过所述第二通孔而突出；并且绕所述第一通孔布置有第一板布线图案，所述第一板布线图案包括所述第一输入电感器绕组、所述第一输出电感器绕组的第一半绕组以及所述第二输出电感器绕组的第一半绕组中的至少一者；并且
绕所述第二通孔布置有第二板布线图案，所述第二板布线图案包括所述第二输入电感器绕组、所述第一输出电感器绕组的第二半绕组(s3)以及所述第二输出电感器绕组的第二半绕组中的至少一者。
10.根据权利要求7所述的集成式磁性变压器组件，其中，所述第一磁导芯和所述第二磁导芯被所述保持构件分隔开至少6mm的距离。
11.根据权利要求1所述的集成式磁性变压器组件，其中，所述第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二半绕组包括相同的匝数，并且所述第二输出电感器绕组的第一半绕组和第二半绕组包括相同的匝数。
12.一种单输入或多输入隔离式电力转换器，包括：根据前述权利要求中的任一项所述的集成式磁性变压器组件；以及
-第一输入端，所述第一输入端能够连接至第一DC或AC输入电压，
-第一输入驱动器，所述第一输入驱动器在操作上耦合至所述第一DC或AC输入电压和所述第一输入电感器绕组以向其提供第一驱动信号，
-第二输入端，所述第二输入端能够连接至所述第一DC或AC输入电压或第二DC或AC输入电压，
-第二输入驱动器，所述第二输入驱动器在操作上耦合至所述第一DC或AC输入电压或所述第二DC或AC输入电压以及所述第二输入电感器绕组以向其提供第二驱动信号，
-第一整流器或第一逆变器元件，所述第一整流器或第一逆变器元件在操作上耦合在第一转换器输出与所述第一输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的一对绕组端子之间；
-第二整流器或第二逆变器元件，所述第二整流器或第二逆变器元件在操作上耦合在第二转换器输出与所述第二输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的一对绕组端子之间。
13.一种单输入或多输入隔离式电力转换器，包括：根据前述权利要求中的任一项所述的集成式磁性变压器组件；以及
-第一输入端，所述第一输入端能够连接至第一DC或AC输入电压，
-第一输入驱动器，所述第一输入驱动器在操作上耦合至所述第一DC或AC输入电压以及所述第一输出电感器绕组的串联耦合的第一半绕组和第二半绕组的一对绕组端子以向其提供第一驱动信号，
-第二输入端，所述第二输入端能够连接至所述第一DC或AC输入电压或第二DC或AC输入电压，
-第二输入驱动器，所述第二输入驱动器在操作上耦合至所述第一DC或AC输入电压或所述第二DC或AC输入电压以及所述第二输出电感器绕组的串联连接的第一半绕组和第二半绕组的一对绕组端子以向其提供第二驱动信号，
-第一整流器或第一逆变器元件，所述第一整流器或第一逆变器元件在操作上耦合在第一转换器输出与所述第一输入电感器绕组的一对绕组端子之间，
-第二整流器或第二逆变器元件，所述第二整流器或第二逆变器元件在操作上耦合在第二转换器输出与所述第二输入电感器绕组的一对绕组端子之间。
14.根据权利要求12或13所述的多输入隔离式电力转换器，其中，所述第一转换器输出和所述第二转换器输出被耦合以将所述转换器的输出电压端分开从而提供分开的第一AC输出电压和第二AC输出电压或分开的第一DC输出电压和第二DC输出电压。
15.根据权利要求12或13所述的多输入隔离式电力转换器，包括升压转换器，所述升压转换器包括：
-第一升压电感器，所述第一升压电感器耦合在所述第一DC或AC输入电压与所述第一输入驱动器之间，
-第二升压电感器，所述第二升压电感器耦合在所述第二DC或AC输入电压与所述第二输入驱动器之间。
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