CN105097222A - 一种交错并联变换器的磁耦合电感器及其磁芯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁芯，其特征在于：包括上下布置的上磁芯及下磁芯、位于中部的中柱磁芯和位于中柱磁芯左右两侧的边柱磁芯，所有的上磁芯及下磁芯具有第一磁导率，所有的边柱磁芯具有第二磁导率，所有的中柱磁芯具有第三磁导率。本发明的另一个技术方案是提供了一种交错并联变换器的磁耦合电感器。本发明提出了一种不同磁材、不同磁导率、不同尺寸磁芯相互搭配的耦合电感磁芯组合方案，使得磁耦合集成电感器的磁芯选型范围广、耦合度K调节灵活方便，电感器的磁芯结构可以得到优化，批量生产成本降低。

Description

一种交错并联变换器的磁耦合电感器及其磁芯

技术领域

本发明涉及一种针对交错并联方式工作的功率变换器的磁耦合电感器及其磁芯。

背景技术

随着电力电子技术的发展，对功率变换器的要求越来越严格，需要更低的输入或输出电压、更大的电流、更快的动态响应、更小的体积。为了满足这些要求，新的技术不断被提出和应用。

交错并联技术于上世纪60年代最早被提出，并得到了广泛的应用。采用交错并联技术可以有效的降低输入输出电流纹波的幅值；同时采用几个较小的电感来代替传统变换器中大而笨重的主电感，可以提高变换器的动态响应速度，减小电感的体积，增加功率密度。图1为两路Boost电路交错并联工作原理图。虽然交错并联技术降低了总的输入输出电流纹波，但是如果使用较小的感量，则每个通道内的电感电流仍然存在较大的纹波，这样功率开关管上的导通损耗与开关损耗和电感中的磁芯损耗将会较大，同时，使用交错并联技术会增加电感器的数量增加电路复杂度。

为了简化变换器中磁性器件，有学者提出了在交错并联变换器中使用非耦合的集成电感以降低磁性元件的数量，即将两个180°交错并联的独立电感集成在单对的E-E或者E-I磁芯中，其磁集成方式有正向磁集成和反向磁集成两种，其演化可以用图2（a）和图2（b）来解释。这种磁集成方式，由于中柱没有气隙，仅为低磁阻的磁路，因此两个集成的磁通并未产生耦合。这种非耦合的集成方式在一定程度上简化了磁芯的结构，但是并未改善电感器的动态响应速度和稳态特性，同时这种集成方式对中柱来讲缺点也很明显。正向磁集成中柱磁芯的交流磁通变小，所以中柱上的损耗会减小，然而中柱的直流磁通为两边柱磁通之和，所以中柱更容易饱和；反向磁集成中柱的直流磁通会很小，避免了磁芯的饱和，但是其交流磁通幅值会显著变大，使得磁芯损耗增加。图3（a）和图3（b）给出了两种磁集成方式对应的边柱和中柱的磁通情况。同时，这种非耦合的集成方式使用的磁芯不是标准品，两个边柱的气隙需要精确的调整，批量生产成本高；另外由于机械不稳定的原因，在大负载时容易产生噪音。

为了改进非耦合集成磁芯结构上的不稳定性，同时满足电感器稳态和动态特性，提出了耦合的磁集成技术，即在中柱磁性上增加气隙，增加中柱磁芯的磁阻，让两个集成的电感器相互耦合。该耦合的磁集成技术一方面由于增加了中柱气隙，使得两个边柱的气隙填充精度无需太高，这样可以保证机械稳定性；另一方面，通过调节集成磁性元件的耦合度来匹配变换器的实际工作时开关的占空比，使其既能得到较快的动态特性同时又能保证良好的稳态性能。图4（a）和图4（b）给出了正向耦合集成和反向耦合集成两种方式的示意图。由于两个耦合电感之间互感的存在，反向磁耦合集成电感器能够形成较小的瞬态等效电感和更大的稳态等效电感，在设计耦合电感时通过调整耦合度K匹配功率变换器工作时的占空比D，从而调整相应的等效电感值，改善动态和稳态特性。而耦合度K受边柱和中柱磁芯磁阻的大小共同影响，所以使用平时我们设计电感时常采用的E-E型或者E-I型等标准磁芯来设计磁耦合集成电感有很大的限制，对耦合度K的调节不够灵活，缺少对磁芯结构的优化。

发明内容

本发明针对在磁耦合集成电感器设计过程中出现的由于磁芯选择而造成的耦合度K调节不灵活、磁芯结构优化困难的不足，提出一种应用于交错并联功率变换器的磁耦合集成电感器及其磁芯。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种磁芯，其特征在于：包括上下布置的上磁芯及下磁芯、位于中部的中柱磁芯和位于中柱磁芯左右两侧的边柱磁芯，所有的上磁芯及下磁芯具有第一磁导率，所有的边柱磁芯具有第二磁导率，所有的中柱磁芯具有第三磁导率，通过调节第一磁导率、第二磁导率、第三磁导率和/或上磁芯、下磁芯、中柱磁芯及边柱磁芯的尺寸来调节耦合度。

优选地，所有所述上磁芯及下磁芯分别独立形成上板及下板，所述中柱磁芯及所述边柱磁芯位于上板与下板间，且所述中柱磁芯及所述边柱磁芯的高度等于上板与下板间的间距。

优选地，所述中柱磁芯和/或所述边柱磁芯的上下两端分别与所述上磁芯及所述下磁芯共同形成上板及下板，所述中柱磁芯和所述边柱磁芯的除包含在上板及下板内的部分外的剩余部分位于上板与下板间。

本发明的另一个技术方案是提供了一种交错并联变换器的磁耦合电感器，其特征在于，包括上述的磁芯及线圈，在磁芯的每个所述边柱磁芯上均套有线圈。

本发明针对目前磁耦合集成电感器设计中存在的磁芯可选范围小、耦合度K调节灵活度低、磁芯结构优化难、批量生产成本高等问题，提出了一种不同磁材、不同磁导率、不同尺寸磁芯相互搭配的耦合电感磁芯组合方案，使得磁耦合集成电感器的磁芯选型范围广、耦合度K调节灵活方便，电感器的磁芯结构可以得到优化，批量生产成本降低。

附图说明

图1为两路Boost电路交错并联工作原理图；

图2（a）为正向磁集成演化示意图；

图2（b）为反向磁集成演化示意图；

图3（a）为正向磁集成对应的边柱和中柱的磁通情况；

图3（b）为反向磁集成对应的边柱和中柱的磁通情况；

图4（a）为正向耦合集成示意图；

图4（b）为反向耦合集成示意图；

图5示出了根据本发明实施例一的磁耦合电感器的纵截面示意图；

图6示出了根据本发明实施例二的磁耦合电感器的纵截面示意图；

图7示出了根据本发明实施例三的磁耦合电感器的纵截面示意图；

图8示出了根据本发明实施例四的磁耦合电感器的纵截面示意图；

图9示出了根据本发明实施例一的磁耦合电感器的纵截面在一工作状态下的磁通流动示意图；

图10示出了根据本发明实施例一的磁耦合电感器的纵截面在另一工作状态下的磁通流动示意图；

图11给出了两种三个交错并联工作的电感耦合中的一种方式；

图12给出了两种三个交错并联工作的电感耦合中的另一种方式。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例一

如图5所示，本实施例中的磁耦合电感器100包含两个线圈105和磁芯。磁芯包括上板101、下板102、两个边柱磁芯103和中柱磁芯104。其中，上板101和下板102可以是具有第一磁导率的一个独立磁芯，也可以是多块磁芯拼接而成具有等效第一磁导率的磁芯，用来拼接上下板的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同；两个边柱磁芯103可以是具有第二磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第二磁导率的磁芯，用来拼接两个边柱磁芯103的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同；中柱磁芯104可以是具有第三磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第三磁导率的磁芯，用来拼接中柱磁芯104的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同。两个边柱磁芯103和中柱磁芯104的高度等于上板101和下板102之间的距离。两个线圈105分别套在两个边柱磁芯103上，共同构成耦合电感器。

在本实例中，上板101、下板102、两个边柱磁芯103和中柱磁芯104的磁材料和磁导率有两种搭配方式。一种是：上板101和下板102的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，两个边柱磁芯103和中柱磁芯104的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料非晶粉末等，两个边柱磁芯103和中柱磁芯104的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节；另一种是：两个边柱磁芯103的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，上板101、下板102和中柱磁芯104的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料或非晶粉末等，上板101、下板102和中柱磁芯104的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节。两种搭配方式都可以通过调节各个磁芯的磁导率大小和磁芯尺寸来调节耦合度K。耦合电感的两个边柱磁芯103和中柱磁芯104的横截面为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形、圆角三角形或者多边形；上板101和下板102横截面可以为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形或者多边形。

图9及图10分别示出本实施例中的磁耦合电感器的纵截面在不同工作状态下的磁通流动示意图。

实施例二

参考图6，本实施例中的磁耦合电感器200包含两个线圈205和磁芯。磁芯包括上板201、下板202、两个边柱磁芯203和中柱磁芯204。其中，上板201由中柱磁芯204的上端205、205的左侧磁芯206和205的右侧磁芯207共同组成；磁芯206和磁芯207的上端与中柱磁芯204的上端平齐，且其深度相同。下板202由中柱磁芯204的下端208、208的左侧磁芯209和208的右侧磁芯210共同组成；磁芯209和磁芯210的下端与中柱磁芯204的下端平齐，且其深度相同。磁芯206、207、209和210具有相同的尺寸，可以是具有第一磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第一磁导率的磁芯，用来拼接磁芯206、207、209、和210的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同；两个边柱磁芯203可以是具有第二磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第二磁导率的磁芯，用来拼接两个边柱磁芯203的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同，边柱磁芯203的高度等于上板201和下板202之间的距离；中柱磁芯204可以是具有第三磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第三磁导率的磁芯，用来拼接中柱磁芯204的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同。两个线圈205分别套在两个边柱磁芯203上，共同构成耦合电感器。

在本实例中，上板201的磁芯206和207、下板202的磁芯209和210、两个边柱磁芯203和中柱磁芯204的磁材料和磁导率有两种搭配方式。一种是：上板201的部分磁芯206和207、下板202的部分磁芯209和210的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，两个边柱磁芯203和中柱磁芯204的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料、非晶粉末等，两个边柱磁芯203和中柱磁芯204的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节；另一种是：两个边柱磁芯203的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，上板201的部分磁芯206和207、下板202的部分磁芯209和210和中柱磁芯204的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料或非晶粉末等，上板201的部分磁芯206和207、下板202的部分磁芯209和210和中柱磁芯204的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节。两种搭配方式都可以通过调节各个磁芯的磁导率大小和磁芯尺寸来调节耦合度K。耦合电感的两个边柱磁芯203和中柱磁芯204的横截面为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形、圆角三角形或者多边形；上板201的部分磁芯206和207、下板202的部分磁芯209和210横截面可以为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形或者多边形。

实施例三

参考图7，在本实施例中磁耦合电感器300包含两个线圈305和磁芯。磁芯包括上板301、下板302、两个边柱磁芯303和中柱磁芯304。其中，上板301由磁芯306、边柱磁芯303的上部分307和308共同组成；磁芯306的上端与边柱磁芯303的上端平齐，且其深度相同。下板302由磁芯309、边柱磁芯303的下部分310和311共同组成；磁芯309与边柱磁芯303的下端平齐，且其深度相同。磁芯306和309可以是具有第一磁导率得一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第一磁导率的磁芯，用来拼接磁芯306和309的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同；两个边柱磁芯303可以是具有第二磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第二磁导率的磁芯，用来拼接边柱磁芯303的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同，边柱磁芯303的高度等于上板301的上侧和下板302的下侧之间的距离；中柱磁芯304可以是具有第三磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第三磁导率的磁芯，用来拼接中柱磁芯304的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同。两个线圈305分别套在两个边柱磁芯303上，共同构成耦合电感器。

在本实例中，上板301的部分磁芯306、下板302的部分磁芯309、两个边柱磁芯303和中柱磁芯304的磁材料和磁导率有两种搭配方式。一种是：上板301的部分磁芯306和下板302的部分磁芯309的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，两个边柱磁芯303和中柱磁芯304的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料或非晶粉末等，两个边柱磁芯303和中柱磁芯304的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节；另一种是：两个边柱磁芯303的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，上板301的部分磁芯306、下板302的部分磁芯309和中柱磁芯304的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料或非晶粉末等，上板301的部分磁芯306、下板302的部分磁芯309和中柱磁芯304的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节。两种搭配方式都可以通过调节各个磁芯的磁导率大小和磁芯尺寸来调节耦合度K。耦合电感的两个边柱磁芯303和中柱磁芯304的横截面为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形、圆角三角形或者多边形；上板301的磁芯306和下板302的磁芯309横截面可以为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形或者多边形。

实施例四

参考图8，在本实施例中磁耦合电感器400包含两个线圈405和磁芯。磁芯包括上板401、下板402、两个边柱磁芯403和中柱磁芯404。其中，上板401由中柱磁芯404的上端406、磁芯407、磁芯408以及边柱磁芯403的上部分409和410共同组成；下板402由中柱磁芯404的下端411、磁芯412、磁芯413以及边柱磁芯403的下部分414和415共同组成。磁芯407、磁芯408、磁芯414和磁芯415尺寸相同，可以是具有第一磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第一磁导率的磁芯，用来拼接磁芯407、磁芯408、磁芯414和磁芯415的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同；两个边柱磁芯403可以是具有第二磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第二磁导率的磁芯，用来拼接边柱磁芯403的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同，边柱磁芯403的高度等于上板401的上侧和下板402的下侧之间的距离；中柱磁芯404可以是具有第三磁导率的一个独立磁芯，也可以是多个磁芯拼接而成具有等效第三磁导率的磁芯，用来拼接中柱磁芯404的多个磁芯的磁导率可以相同也可以不同，其高度等于上板401的上侧和下板402的下侧之间的距离。磁芯407和磁芯408的上端与边柱磁芯403的上端和中柱磁芯404的上端平齐，且其深度相同；磁芯412和磁芯413的下端与边柱磁芯403的下端和中柱磁芯404的下端平齐，且其深度相同。两个线圈405分别套在两个边柱磁芯403上，共同构成耦合电感器。

在本实例中，磁芯407、磁芯408、磁芯414和磁芯415、两个边柱磁芯403和中柱磁芯404的磁材料和磁导率有两种搭配方式。一种是：磁芯407、磁芯408、磁芯414和磁芯415的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，两个边柱磁芯403和中柱磁芯404的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料或非晶粉末等，两个边柱磁芯403和中柱磁芯404的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节；另一种是：两个边柱磁芯403的材料为高磁导材料，可以是非晶材料、纳米晶材料、铁氧体材料或者硅钢材料，磁芯407、磁芯408、磁芯414、磁芯415和中柱磁芯404的材料是低磁导材料，可以是铁硅材料、铁硅铝材料或非晶粉末等，磁芯407、磁芯408、磁芯414和磁芯415和中柱磁芯404的材料可以相同也可以不同，磁导率大小根据实际需要来调节。两种搭配方式都可以通过调节各个磁芯的磁导率大小和磁芯尺寸来调节耦合度K。耦合电感的两个边柱磁芯403和中柱磁芯404的横截面为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形、圆角三角形或者多边形；磁芯407、磁芯408、磁芯414和磁芯415横左右方向截面可以为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形或者多边形。

以上实施例均为两路交错并联电感的耦合，将其扩展，可以应用上面所描述的磁芯组合方式及原理对两个以上交错并联的电感进行耦合集成。图11和图12给出了其中两种三个交错并联工作的电感耦合的方式，图11及图12中，A为中柱、B为上板、C为下板，D为边柱。

Claims (4)

1.一种磁芯，其特征在于：包括上下布置的上磁芯及下磁芯、位于中部的中柱磁芯和位于中柱磁芯左右两侧的边柱磁芯，所有的上磁芯及下磁芯具有第一磁导率，所有的边柱磁芯具有第二磁导率，所有的中柱磁芯具有第三磁导率，通过调节第一磁导率、第二磁导率、第三磁导率和/或上磁芯、下磁芯、中柱磁芯及边柱磁芯的尺寸来调节耦合度。

2.如权利要求1所述的一种磁芯，其特征在于：所有所述上磁芯及下磁芯分别独立形成上板及下板，所述中柱磁芯及所述边柱磁芯位于上板与下板间，且所述中柱磁芯及所述边柱磁芯的高度等于上板与下板间的间距。

3.如权利要求1所述的一种磁芯，其特征在于：所述中柱磁芯和/或所述边柱磁芯的上下两端分别与所述上磁芯及所述下磁芯共同形成上板及下板，所述中柱磁芯和所述边柱磁芯的除包含在上板及下板内的部分外的剩余部分位于上板与下板间。

4.一种交错并联变换器的磁耦合电感器，其特征在于，包括如权利要求1所述的磁芯及线圈，在磁芯的每个所述边柱磁芯和/或上板和/或下板上均套有线圈。