CN107275053B - 电气转换器及电气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种磁组件、一种共振电路、一种电气转换器及一种电气系统。所述磁组件包括：磁芯，包括E形下部部分、E形上部部分、及I形中央部分，I形中央部分封闭下部部分及上部部分，以使得下部部分及中央部分界定两个下部磁路且上部部分及中央部分界定两个上部磁路；第一线圈及第二线圈，围绕下部部分的中央分支缠绕以彼此耦合；第三线圈，围绕上部部分的中央分支缠绕，第三线圈与第二线圈串联连接。中央部分所具有的磁阻低于沿每一下部磁路的下部部分的磁阻与沿每一上部磁路的上部部分的磁阻二者。本发明的磁组件在具有减小的体积的同时使得可精确地且可靠地对串联电感的值进行设定。

Description

电气转换器及电气系统
技术领域
本发明涉及共振电路，特别是用于磁组件、共振电路、电气转换器及其电气系统。
背景技术
作为“电力电子学、电气驱动、自动化及运动(2008)(SPEEDAM 2008)(PowerElectronics,Electrical Drives,Automation and Motion,2008.SPEEDAM 2008)”会议的一部分，由德·西蒙等人于2008年发表的文章“LLC共振转换器中的磁集成设计指南(Design guideline for magnetic integration in LLC resonant converters)”阐述一种磁组件，所述磁组件包括：
-磁芯，包括第一分支、第二分支、及第三分支，所述第一分支、第二分支、及第三分支在其两端处交汇于一起且各自具有磁阻(reluctance)，
-第一线圈及第二线圈，围绕所述第一分支缠绕以彼此耦合。
此文章中提出形成一种LLC型共振电路，所述LLC型共振电路会增加电感的串联电容且自发地减少所述两个线圈之间的耦合以除磁化电感Lm以外还形成串联电感Lr。此种不完全耦合是通过将各线圈彼此分离而获得。因此，共振电路的体积可减小。
然而，难以在不增大磁芯的大小且不因傅科电流(Foucault current)而造成损失的条件下实现大的串联电感值Lr。此外，由于串联电感Lr的值取决于线圈的位置，因此难以精确地且可靠地(即，可再生地(reproducibly))对其进行设定。
发明内容
本发明旨在提出一种在具有减小的体积的同时使得可精确地且可靠地对串联电感的值进行设定的磁组件。
为此，提出一种磁组件，所述磁组件包括：
-磁芯，包括E形下部部分、E形上部部分、及I形中央部分，所述I形中央部分封闭所述下部部分与所述上部部分二者，以使得所述下部部分及所述中央部分界定两个下部磁路且所述上部部分及所述中央部分界定两个上部磁路，
-第一线圈及第二线圈，围绕所述下部部分的中央分支缠绕以彼此耦合，
-第三线圈，围绕所述上部部分的中央分支缠绕，所述第三线圈与所述第二线圈串联连接，
所述中央部分所具有的磁阻低于沿每一所述下部磁路的所述下部部分的磁阻与沿每一所述上部磁路的所述上部部分的磁阻二者。
可选地，所述上部部分包括第一气隙。
还可选地，所述上部部分的所述中央分支包括所述第一气隙。
还可选地，所述上部部分的所述中央分支包括杆，所述杆的一端在与所述中央部分相距一距离处终止以形成所述第一气隙。
还可选地，所述下部部分包括第二气隙。
还可选地，所述下部部分的所述中央分支包括所述第二气隙。
还可选地，所述下部部分的所述中央分支包括两个对齐杆，所述两个对齐杆具有彼此相对、彼此分离的端部以形成所述第二气隙。
还可选地，所述下部部分的所述中央分支及所述上部部分的所述中央分支不具有气隙。
还可选地，所述磁芯的所述下部部分及所述上部部分是由最大相对磁导率低于100的材料制成，而所述中央部分是由最大相对磁导率高于100、优选地高于1000的材料制成。
还可选地，所述第一线圈及所述第二线圈各自具有自感L1、L2且彼此耦合以具有非零互感M，所述非零互感M通过耦合系数k而连接至所述自感L1及L2：
Figure GDA0003291175140000021
所述耦合系数k大于或等于0.9、优选地大于或等于0.95、还优选地大于或等于0.99。
还可选地，所述磁芯相对于以所述上部部分及所述下部部分的所述中央分支为中心的垂直轴线轴对称。
还可选地，所述磁组件包括三个E形机械零件，所述三个E形机械零件各自具有派生出两个侧杆(side bar)及一个中央杆(central bar)的横杆(transverse bar)，两个所述第一机械零件被组装成彼此面对以使得其侧杆及中央杆分别对齐，所述两个第一机械零件形成所述磁芯的所述下部部分及所述中央部分，所述中央部分是由所述两个机械零件中的一者的所述横杆形成，且所述第三机械零件抵靠形成所述中央部分的所述横杆进行组装以形成所述磁芯的所述上部部分。
还提出一种共振电路，所述共振电路包括：
-根据本发明的磁组件，
-电容，与所述第二线圈及所述第三线圈串联连接。
还提出一种电气转换器，所述电气转换器包括：
-电压产生器，被设计成从直流电压提供可变电压，
-根据本发明的共振电路，从所述可变电压提供交流电流，
-整流器，被设计成从所述交流电流向电负荷提供直流电压。
可选地，所述整流器包括：
-平滑电容，与所述电负荷并联连接，
-二极管桥，连接在所述第一线圈的端部处作为输入且连接在所述平滑电容器的端子处作为输出。
还可选地，所述整流器包括：
-平滑电容，与所述电负荷并联连接，所述平滑电容的一个端子连接至所述第一线圈的中点，
-两个二极管，所述平滑电容的另一端子经由所述两个二极管分别连接至所述第一线圈的两个端部。
还提出一种电气系统，所述电气系统包括：电压源，例如机动车电池；电负荷，例如电动车配件；以及根据本发明的电气转换器，位于所述电压源与所述电负荷之间。
附图说明
图1是根据本发明的包括电气转换器的电气系统的电气图。
图2是图1所示电气转换器的磁芯的前视图。
图3是图1所示电气转换器的共振电路的等效电气图。
图4是磁芯及围绕所述磁芯缠绕的线圈、图1及图2所示共振电路的一部分的剖视图。
图5是穿过图3所示磁芯行进的磁通量的时序图。
图6是根据本发明的替代性磁芯的剖视图。
图7是根据本发明的替代性共振电路的电气图。
附图标记说明
100：电气系统
102：电气转换器
104：电压源
106：电负荷
108：电压产生器
110、112：开关
114：控制装置
116：共振电路
118：磁芯
120：部分/下部部分/E形下部部分/分支/零件
120C、122C：垂直分支/中央分支/中央垂直分支
120D、122D：垂直分支/右分支/右垂直分支
120G、122G：垂直分支/左分支/左垂直分支
120T、122T、124T：水平分支
122：部分/上部部分/E形上部部分/零件
124：部分/中央部分/I形中央部分/分支/中央部分分支/零件
126D、126G：下部磁路
128D、128G：上部磁路
130：线圈/第一线圈
132：线圈/第二线圈
134：线圈/第三线圈
136：电容
138：整流器
140：二极管桥
142：平滑电容
302、304、306：磁通量
402、404：零件/E形机械零件/机械零件/第一机械零件
406：零件/E形机械零件/第三机械零件
602、604：二极管
e1：气隙/第一气隙
e2：气隙/第二气隙
Lm：磁化电感
Lr：串联电感/串联电感值
ia：交流电流
T：理想变压器
V：可变电压/平方可变电压
Ve：直流电压/输入电压
Vs：直流电压/输出电压
具体实施方式
现将参照图1来阐述包括用于实作本发明的电气转换器102的电气系统100。此种电气系统100可例如用于机动车中。
电气系统100首先包括被设计成提供为直流的输入电压Ve的电压源104。电压源104例如包括机动车电池。
电气系统100进一步包括电负荷106(例如，电动车配件)。
电气转换器102被设计成接收输入电压Ve并向电负荷106提供输出电压Vs。
在所述实例中，电气转换器102为直流-直流型(DC-DC type)，以使得输出电压Vs为直流的。更具体来说，在所述实例中，电气转换器102为LLC共振转换器。
电气转换器102包括电压产生器108，电压产生器108被设计成以所期望频率从输入电压Ve提供可变电压V。
优选地，可变电压V为直流电压(即，不改变符号)。在所述实例中，可变电压V为平方电压(squared voltage)。为此，电压产生器108包括两个开关110、112及开关110、112的控制装置114，以使得可变电压交替地采用输入电压Ve的值与零值。
电气转换器102进一步包括共振电路116，共振电路116被设计成以与可变电压V相同的频率从所述可变电压提供交流电流ia。
共振电路116首先包括磁芯118。
在图1所示实例中，磁芯是例如由铁氧体材料制成。
磁芯118包括E形下部部分120、E形上部部分122、及I形中央部分124。
将参照图2来更详细地阐述磁芯118的形状。
下部部分120首先包括左垂直分支120G、中央垂直分支120C、及右垂直分支120D，所述三者皆为直线性的且彼此平行。下部部分120进一步包括水平分支120T，水平分支120T为直线性的且垂直于所述三个垂直分支120G、120C、120D。所述三个垂直分支120G、120C、120D的三个相应第一端部与水平分支120T进行重接(rejoin)。
上部部分122首先包括左垂直分支122G、中央垂直分支122C、及右垂直分支122D，所述三者皆为直线性的且彼此平行。上部部分122进一步包括水平分支122T，水平分支122T为直线性的且垂直于所述三个垂直分支122G、122C、122D。所述三个垂直分支122G、122C、122D的三个相应第一端部与水平分支122T进行重接。
中央部分124包括水平分支124T，水平分支124T为直线性的且垂直于下部部分120的所述三个垂直分支120G、120C、120D及上部部分122的所述三个垂直分支122G、122C、122D。下部部分120的所述三个垂直分支120G、120C、120D的三个相应第二端部及上部部分122的所述三个垂直分支122G、122C、122D的三个相应第二端部与水平分支124T进行重接。因此，中央部分124封闭磁芯的上部部分122及下部部分120。
左垂直分支120G、122G彼此连续。中央垂直分支120C、122C彼此连续。右垂直分支120D、122D彼此连续。
此外，磁芯118相对于以中央垂直分支120C、122C为中心的垂直轴线轴对称。
因此，下部部分120及中央部分124以回路形式界定两个封闭的下部磁路126G、126D。中央部分124所具有的磁阻比沿每一下部磁路126G、126D的下部部分120的磁阻低、优选地低至少十倍、还优选地低至少一百倍。
相同地，上部部分122及中央部分124以回路形式界定两个封闭的上部磁路128G、128D。中央部分124所具有的磁阻比沿每一上部磁路128G、128D的上部部分122的磁阻低、优选地低至少十倍、还优选地低至少一百倍。
返回至图1，共振电路116进一步包括围绕下部部分120的中央垂直分支120C缠绕的第一线圈130及第二线圈132。线圈130、132各自具有自感L1、L2且彼此耦合以具有非零互感M，所述非零互感M通过耦合系数k而连接至自感L1及L2：
Figure GDA0003291175140000071
优选地，线圈130、132彼此紧密耦合，此使得耦合系数k大于或等于0.9、优选地大于或等于0.95、还优选地大于或等于0.99。
共振电路116进一步包括围绕上部部分122的中央垂直分支122C缠绕的第三线圈134。
共振电路116进一步包括与线圈132、134串联连接的电容136。
由于线圈132、134串联，因此可以单条导线来制成线圈132、134，此使得可避免导线端部损失(wire end loss)。
电气转换器102进一步包括被设计成从交流电流ia供应输出电压Vs的整流器138。
在所述实例中，整流器138包括二极管桥140、及平滑电容142。二极管桥140连接在线圈130的两个端部处作为输入且连接在平滑电容142的及电负荷106的端子处作为输出。
参照图3，以等效电气图示出位于磁芯118及线圈130、132、134处的共振电路116。
线圈130、132形成理想变压器T及位于理想变压器T的一次线圈(primary)处的磁化电感Lm。磁化电感Lm的值具体来说是由气隙e2的宽度定义。第三线圈134形成串联电感Lr。串联电感Lr的值具体来说是由气隙e1的宽度定义。
参照图4示出磁芯118及线圈130、132、134的缠绕的示例性实施例。
尽管已通过将图2分成三个部分120、122、124而在图1及图2中阐述了磁芯118的形式，然而此并不意味着磁芯118总是通过组装与所述三个部分120、122、124对应的三个零件而获得。在所述实例中，磁芯118是通过组装各自具有派生出两个侧杆及一个中央杆的横杆的三个E形机械零件402、404、406而获得。
零件402、404被组装成彼此面对，以使得其侧杆及中央杆分别对齐。此外，其侧杆的自由端交汇于一起。零件402、404中的至少一者的中央杆没有环绕所述中央杆的侧杆长，以使得零件402、404的中央杆具有彼此相对、彼此分离的端部以形成气隙e2。
零件406抵靠零件404的横杆进行组装，以使得零件406的侧杆与零件404的横杆重接。零件406的中央杆没有环绕所述中央杆的侧杆长，以使得零件406的中央杆的自由端在与零件404的横杆相距一距离处终止以形成气隙e1。
因此，在所述实例中，磁芯118的上部部分122是由零件406及气隙e1形成。此外，磁芯118的中央部分124是由零件404的横杆形成。此外，磁芯118的下部部分120是由零件402、零件404的侧杆及中央杆、以及气隙e2形成。
气隙e1、e2中的每一者可被空气填充，或者其可被具有低磁导率(最大相对磁导率低于100)的材料填充。
具体来说，气隙e1所具有的长度(也表示为e1)被选择成例如利用以下公式来获得串联电感Lr：
e1＝N2·μ0·Sel/Lr
其中N代表线圈134的匝数，μ0代表真空的磁导率，且Se1代表分支124的横截面。
此外，气隙e2所具有的长度(也表示为e2)被选择成例如利用以下公式来获得磁化电感Lm：
e2＝N12·μ0·Se2/Lm
其中N1代表线圈132的匝数，μ0代表真空的磁导率，且Se2代表分支120的横截面。
此外，线圈130可围绕线圈132缠绕以提高线圈130与线圈132之间的耦合。
线圈132在磁芯118的下部部分120及中央部分124中产生磁通量302，而线圈134在所述磁芯的上部部分122及中央部分124中产生磁通量304。
由于磁芯118的中央部分124具有低磁阻，因此磁通量302、304通过此中央部分分支124回环返回。通过此种方式，线圈134会与线圈130、132磁性隔离，以使得由线圈130、132形成的变压器与由线圈134形成的串联电感Lr彼此独立地工作。
线圈132、134的缠绕方向被选择成使得磁通量302、304在相反的方向上穿过中央部分124行进。因此，中央部分124中的所得磁通量306仍然为弱的。例如，线圈132、134是在相同的旋转方向上进行缠绕。
线圈130、132、134优选地由绞合线(Litz wire)制成，此使得可降低涡流损失。然而，可使用其他类型的导体，例如圆导体(round conductor)或铜板(copper plate)。
参照图5示出磁通量302、304、306随时间演变的实例。应特别认识到，所得磁通量306弱于其他两个磁通量302、304。因此，磁芯118的中央部分124中的损失得到降低且出现热点(hotspot)的风险也得到降低。此外，中央部分124的横截面减小，此使得可提高共振电路116的紧凑性。此外，由于由线圈130、132、及线圈134形成的变压器共享相同的磁芯(且具体来说共享中央部分124)，因此所使用的磁芯更少。
现将阐述电气系统100的运作。
电压产生器108通过将输入电压Ve切割成所期望频率来产生平方可变电压V。
将可变电压V施加在电容136的及线圈132、134的端子两端，电容136的与线圈132、134的端子会因此被可变电压V的频率激励。因应于此种激励，在线圈130中会出现交流电流ia。
整流器138对交流电流ia进行整流并向电负荷106及平滑电容142提供经整流的电流，平滑电容142将输出电压Vs平滑化以使其为直流的。
因此可选择性地获得比输入电压Ve小或高的输出电压Vs。
现将参照图6来阐述磁芯118的替代性实施例。
在此替代形式中，磁芯118不再具有气隙。部分120、122、124是通过组装三个对应零件而制成，且因此是由相同的参考符号表示。零件120、122是由例如粉状金属等具有低磁导率(最大相对磁导率低于100)的材料制成，而零件124是由具有高磁导率(最大相对磁导率高于100、优选地高于1000)的材料制成。
现将参照图7来阐述共振电路116及整流器138的替代性实施例。
在此替代形式中，整流器138是由中央分接头(center-tap)连接至线圈130。更具体来说，平滑电容142的及电负荷106的一个端子连接在线圈130的中点处，而平滑电容142的及电负荷106的另一端子分别经由两个二极管602、604连接至线圈130的两个端部，从而容许来源于线圈130的电流通过。
根据以上说明，显而易见，本发明使得可精确地产生磁化电感Lm及串联电感Lr，且具有与工业生产要求兼容的可靠性。
此外，显然，磁场会在气隙e1、e2处从磁芯118逸出。由于这些气隙e1、e2形成在被右分支及左分支120G、122G、120D、122D环绕的中央分支120C、122C中，因而此逸出的磁场仍留在磁芯118的体积中且因此不会造成扰乱周围电气组件的风险。因此，电磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)得到提高。
此外，磁芯118的特定形状使得可非常容易地以三个E形零件(图4)或以两个E形零件及一个I形零件(图6)来制造磁芯118。
本发明并非仅限于先前所述的实施例，而是相反是由以上权利要求定义。对于所属领域中的技术人员来说确应显而易见的是，可对其作出润饰。
此外，权利要求中所用用语不应被理解为仅限于上述实施例所示要件，而是相反须被理解为涵盖所属领域中的技术人员可根据其常识推断出的所有等效要件。

Claims (13)

1.一种电气转换器(102)，其特征在于，包括：
电压产生器(108)，被设计成从直流电压(Ve)提供可变电压(V)，
共振电路(116)，从所述可变电压(V)提供交流电流(ia)，所述共振电路(116)包括：
磁组件包括：
磁芯(118)，包括E形下部部分(120)、E形上部部分(122)、及I形中央部分(124)，所述I形中央部分(124)封闭所述下部部分(120)与所述上部部分(122)二者，以使得所述下部部分(120)及所述中央部分(124)界定两个下部磁路(126G、126D)且所述上部部分(122)及所述中央部分(124)界定两个上部磁路(128G、128D)，其中所述磁芯(118)的所述下部部分(120)及所述上部部分(122)是由最大相对磁导率低于100的材料制成，而所述中央部分(124)是由最大相对磁导率高于100的材料制成，
第一线圈(130)及第二线圈(132)，围绕所述下部部分(120)的中央分支(120C)缠绕以彼此耦合，
第三线圈(134)，围绕所述上部部分(122)的中央分支(122C)缠绕，所述第三线圈(134)与所述第二线圈(132)串联连接，
所述中央部分(124)所具有的磁阻低于沿每一所述下部磁路(126G、126D)的所述下部部分(120)的磁阻与沿每一所述上部磁路(128G、128D)的所述上部部分(122)的磁阻二者，以及
电容(136)，与所述第二线圈(132)及所述第三线圈(134)串联连接，以及
整流器(138)，被设计成从所述交流电流(ia)向电负荷(106)提供直流电压(Vs)，所述整流器(138)包括：
平滑电容(142)，与所述电负荷(106)并联连接，以及
二极管桥(140)，连接在所述第一线圈(130)的端部处作为输入且连接在所述平滑电容(142)的端子处作为输出。
2.根据权利要求1所述的电气转换器(102)，其特征在于，
所述平滑电容(142)与所述电负荷(106)并联连接，所述平滑电容(142) 的一个端子连接至所述第一线圈(130)的中点，
所述二极管桥(140)包括两个二极管(602、604)，所述平滑电容(142)的另一端子经由所述两个二极管(602、604)分别连接至所述第一线圈(130)的两个端部。
3.根据权利要求1所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述上部部分(122)包括第一气隙(e1)。
4.根据权利要求3所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述上部部分(122)的所述中央分支(122C)包括所述第一气隙(e1)。
5.根据权利要求3所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述上部部分(122)的所述中央分支(122C)包括杆，所述杆的一端在与所述中央部分(124)相距一距离处终止以形成所述第一气隙(e1)。
6.根据权利要求1所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述下部部分(120)包括第二气隙(e2)。
7.根据权利要求6所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述下部部分(120)的所述中央分支(120C)包括所述第二气隙(e2)。
8.根据权利要求6所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述下部部分(120)的所述中央分支(120C)包括两个对齐的杆，所述两个对齐的杆具有彼此相对、彼此分离的端部以形成所述第二气隙(e2)。
9.根据权利要求1所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述下部部分(120)的所述中央分支(120C)及所述上部部分(122)的所述中央分支(122C)不具有气隙。
10.根据权利要求1所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述第一线圈及所述第二线圈(130、132)各自具有自感L1、L2且彼此耦合以具有非零互感M，所述非零互感M通过耦合系数k而连接至所述自感L1及L2：
Figure FDA0003291175130000021
所述耦合系数k大于或等于0.9。
11.根据权利要求1所述的电气转换器(102)，其特征在于，所述磁芯(118)相对于以所述上部部分(122)及所述下部部分(120)的所述中央分支(120C、122C)为中心的垂直轴线轴对称。
12.根据权利要求1所述的电气转换器(102)，其特征在于，包括三个E形机械零件(402、404、406)，所述三个E形机械零件(402、404、406)各自具有派生出两个侧杆及一个中央杆的横杆，其中两个第一机械零件(402、404)被组装成彼此面对以使得其侧杆及中央杆分别对齐，所述两个第一机械零件(402、404)形成所述磁芯(118)的所述下部部分(120)及所述中央部分(124)，所述中央部分(124)是由所述两个机械零件(402、404)中的一者(404)的所述横杆形成，且其中第三机械零件(406)抵靠形成所述中央部分(124)的所述横杆进行组装以形成所述磁芯(118)的所述上部部分(122)。
13.一种电气系统(100)，其特征在于，包括：电压源(104)，例如机动车电池；电负荷(106)，例如电动车配件；以及根据权利要求1所述的电气转换器(102)，位于所述电压源(104)与所述电负荷(106)之间。
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