CN107452481A - 一种用于正激变换器中变压器与电感集成的epc磁芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，目的在于，实现变压器绕组和电感绕组的磁集成，减小系统的体积和重量，节约电源安装空间并降低了系统成本，所采用的技术方案为：包括两个结构相同的磁芯，磁芯包括磁芯主轭，磁芯主轭两端对称设置有左旁轭和右旁轭，磁芯主轭上设置有磁芯中柱，磁芯中柱内开设有贯穿磁芯中柱和磁芯主轭的孔隙，所述两个磁芯沿磁芯中柱顶面轴向对称对接，两个磁芯的孔隙连通，电感绕组穿过孔隙沿磁芯中柱径向绕制，高压绕组和低压绕组沿磁芯中柱轴向绕制，且高压绕组和低压绕组绕制在磁芯中柱和电感绕组外，高压绕组绕制在低压绕组外。

Description

一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯。

背景技术

对于常规隔离型正激变换器而言，隔离变压器和滤波电感作为分立磁性元件，分别依附于独立RM磁芯。因此，要实现隔离型正激变换器体积和重量的减小，方法之一便是将隔离变压器和滤波电感集成在一副磁芯上。传统的磁集成方案主要基于E型和I型磁芯，然后利用E型磁芯的旁轭部分和中柱部分来构造绕组绕制方式的多样性，从而实现变压器和电感的解耦磁集成。通常有以下两种磁芯结构：1.采用1个E型磁芯和1个I型磁芯的组合方式；2.采用2个E型磁芯的组合方式。

其中，第一种结构可以实现两种不同的磁集成方式。一是若E型磁芯的中柱为低磁阻磁路，将变压器绕组绕制在左侧旁轭柱，将电感绕组绕制在右侧旁轭柱，这样便实现变压器和电感的解耦集成；一是在E型磁芯中柱开气隙，将变压器绕组分别绕制在左、右旁轭柱，将电感绕组绕制在中柱，气隙用于能量的储存。第二种双E型磁芯结构，实现磁集成的方式是将变压器一次侧绕组分成两段绕制于上侧E型磁芯左侧旁轭柱，将变压器二次侧绕组绕制于下侧E型磁芯的左侧旁轭柱，将电感绕组绕制于上侧E型磁芯的右侧旁轭柱。

相较于EI型磁芯，EPC磁芯具有热阻小、衰减小、功率大、工作频率宽、结构合理、易表面贴装、屏蔽效果好等优点，广泛用于小体积、大功率且有屏蔽和电磁兼容要求的变压器等装置或场合。由于EPC磁芯的封装是基于配套骨架的卧式安装，且EPC磁芯的旁轭柱不规则，基于E型和I型的磁集成方案难以适用于EPC型磁芯。

多电飞机、舰船推进系统等应用场合都对开关电源的小型轻量化提出了极高的要求，且随着EPC型磁芯在隔离型正激变换器中的广泛应用。亟需从磁芯本体设计的角度出发，提出一种能够实现变压器绕组与滤波电感绕组集成的新型EPC磁芯，从而降低整个功率变换系统的体积和重量。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，实现了变压器绕组和电感绕组的磁集成，减小了系统的体积和重量，节约了电源安装空间并降低了系统成本。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括两个结构相同的磁芯，磁芯包括磁芯主轭，磁芯主轭两端对称设置有左旁轭和右旁轭，磁芯主轭上设置有磁芯中柱，磁芯中柱内开设有贯穿磁芯中柱和磁芯主轭的孔隙，所述两个磁芯沿磁芯中柱顶面轴向对称对接，两个磁芯的孔隙连通，电感绕组穿过孔隙沿磁芯中柱径向绕制，高压绕组和低压绕组沿磁芯中柱轴向绕制，且高压绕组和低压绕组绕制在磁芯中柱和电感绕组外，高压绕组绕制在低压绕组外。

所述磁芯中柱的侧面上沿轴向开设有贯穿磁芯中柱和磁芯主轭的气隙，且气隙与孔隙相通，两个磁芯对接后的气隙连通，电感绕组穿过孔隙沿磁芯中柱径向绕制并包覆气隙。

所述磁芯中柱包括两端的侧面，以及中间的外侧面和内侧面，两端侧面为半圆弧面，中间的外侧面和内侧面为平面，磁芯中柱的外侧面与左旁轭、右旁轭和磁芯主轭的侧面齐平，气隙开设在磁芯中柱的外侧面上。

所述磁芯中柱与左旁轭和右旁轭等高，磁芯中柱与左旁轭和右旁轭的顶面齐平。

所述孔隙的截面与磁芯中柱的截面相同。

所述孔隙的长度为4.6±0.15mm，最大宽度为1.05mm。

所述气隙呈沿磁芯中柱轴向的条状孔隙。

所述气隙的宽度为0.01mm。

所述磁芯材质为Mn-Zn铁氧体。

所述两个磁芯采用骨架固定连接，高压绕组和低压绕组绕制在骨架上。

与现有技术相比，本发明通过两个对称的磁芯对接组成，磁芯中柱内压制出孔隙，使得电感绕组穿过磁芯中柱的孔隙且紧贴磁芯外表面进行绕制，孔隙提供了绕组绕制的足够空间，在维持既定电感水平下避免因磁芯截面积变化而造成的匝数增加，高压绕组和低压绕组绕制在磁芯中柱和电感绕组外，这一方式省去了电感绕组所附着的分立磁芯，实现了隔离型正激变换器中变压器绕组和滤波电感绕组在一副EPC磁芯上的集成目的，本发明同时实现了变压器绕组和电感绕组的磁集成，省去了电感绕组所需的独立磁芯，减小了正激变换器中分立磁件的数量，减小了系统的体积和重量，节约了电源安装空间并降低了系统成本，本发明用于将隔离型正激变换器中的分立磁件，即变压器和电感进行磁集成，适用于精密仪器、程控交换机模块电源、导航设备、开关电源等场合，特别适用于对变换器体积和重量有严格限制的场合。

进一步，磁芯中柱的侧面上沿轴向开设有贯穿磁芯中柱和磁芯主轭的气隙，电感绕组穿过孔隙沿磁芯中柱径向绕制并包覆气隙，气隙用于增大磁阻，避免电感绕组电流引起磁芯中柱的饱和。

附图说明

图1a为本发明的结构示意图，图1b为本发明的俯视图，图1c为本发明的侧视图，图1d为本发明的立面图；

图2为基于本发明EPC磁芯的变压器绕组与电感绕组解耦集成的原理图；

图3为滤波电感绕组电流在磁芯中柱产生磁通流经的等效磁路；

图4为采用本发明的正激变换器磁件结构图；

图5为采用本发明正激变换器电路拓扑图；

图6为采用本发明的正激变换器电路仿真出的输出直流电流与电压波形图；

图7为采用本发明的正激变换器电路达到稳态时，变压器绕组电流和电感绕组电流在集成磁件中所激励产生的磁通密度分布云图；

其中，1-左旁轭、2-右旁轭、3-磁芯主轭、4-磁芯中柱、5-孔隙、6-气隙、7-电感绕组、8-高压绕组、9-低压绕组。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

参见图1a～1d，本发明包括两个结构相同的磁芯，磁芯材质为Mn-Zn铁氧体，磁芯包括磁芯主轭3，磁芯主轭3两端对称设置有左旁轭1和右旁轭2，磁芯主轭3上设置有磁芯中柱4，磁芯中柱4内开设有贯穿磁芯中柱4和磁芯主轭3的孔隙5，两个磁芯沿磁芯中柱4顶面轴向对称对接，两个磁芯采用骨架固定连接，两个磁芯的孔隙5连通，参见图4，电感绕组7穿过孔隙5沿磁芯中柱4径向绕制，高压绕组8和低压绕组9沿磁芯中柱4轴向绕制，高压绕组8和低压绕组9绕制在骨架上，且高压绕组8和低压绕组9绕制在磁芯中柱4和电感绕组7外，高压绕组8绕制在低压绕组9外。磁芯中柱4的侧面上沿轴向开设有贯穿磁芯中柱4和磁芯主轭3的气隙6，且气隙6与孔隙5相通，两个磁芯对接后的气隙6连通，电感绕组7穿过孔隙5沿磁芯中柱4径向绕制并包覆气隙6。

磁芯中柱4包括两端的侧面，以及中间的外侧面和内侧面，两端侧面为半圆弧面，中间的外侧面和内侧面为平面，磁芯中柱4的外侧面与左旁轭1、右旁轭2和磁芯主轭3的侧面齐平，气隙6开设在磁芯中柱4的外侧面上。磁芯中柱4与左旁轭1和右旁轭2等高，磁芯中柱4与左旁轭1和右旁轭2的顶面齐平。孔隙5的截面与磁芯中柱4的截面相同。孔隙5的长度为4.6±0.15mm，最大宽度为1.05mm。气隙6呈沿磁芯中柱4轴向的条状孔隙。气隙6的宽度为0.01mm。

参见图2，EPC1和EPC2分别为上下对接的一组磁芯；a为滤波电感绕组，沿磁芯中柱4的径向方向绕制；b为变压器的低压绕组，沿磁芯中柱4的轴向方向绕制；c为变压器高压绕组，沿磁芯中柱4的轴向方向绕制；i_a为滤波电感绕组中通过的电流；i_b为变压器低压绕组中通过的电流；i_c为变压器高压绕组中通过的电流。是电感绕组电流所产生的磁通，方向为轴向向左；是变压器低压绕组电流所产生的磁通，方向为径向向上；是变压器低压绕组电流所产生的磁通，方向为径向向下。基于以上绕组绕制方式，磁通与和正交，从而实现了电感绕组与变压器绕组的解耦磁集成。

参见图3，滤波电感绕组电流在磁芯中柱产生磁通流经的等效磁路，R_上、R_下、R_左和R_右为磁芯中柱各段磁阻；R_气隙为气隙部分所产生的磁阻；F为电感绕组电流产生的磁势。其中，R_气隙的作用为增大磁路的磁阻，避免磁芯中柱的磁饱和。通过调节气隙大小，可以达到调整磁阻大小，避免磁芯中柱的饱和。

参见图4，本发明实现了变压器绕组和滤波电感绕组在一副磁芯上集成的目的，基于本发明的正激变换器磁件结构的磁芯体积和重量为764mm³和4.2g，现有的基于RM5和RM6磁芯的正激变换器磁件结构中，变压器绕组与滤波电感绕组分别绕制在不同的RM磁芯上，现有正激变换器磁芯体积和重量分别为3328mm³和16.4g，基于本发明的集成变换器极大的减小磁件的体积和重量。

为了验证基于本发明EPC磁芯的正激变换器的工作性能，给出了一个变换器算例，同时考核了变换器输出电气特性及磁芯工作情况：

参见图5，基于本发明的正激变换器电路参数设置如下：U_in—输入电压，29V；C₁—400uF；C₂—400uF；n_p—变压器一次侧匝数，18匝；n_s—变压器二次侧绕组匝数，14匝；L—滤波电感，160uH；R—电阻负载，3Ω；D₁，D₂为二极管；Q为MOS管；脉冲信号的频率为180kHz，占空比为37％。假设该变换器的设计指标要求为：I_d—输出直流，2A；U_out—输出电压，6V。

参见图1b和1c，按照AP法查表及有限元仿真计算方法选择对应磁芯的几何参数：磁芯总长度A：13.2±0.25mm；磁芯主轭长度B：10.5mm；磁芯中柱长度M1：5.6±0.15mm；磁芯中柱宽度M2：2.05±0.1mm；孔隙长度N1：4.6±0.15mm；孔隙最大宽度N2：1.05mm；左旁轭和右旁轭间距E：8.3mm；左旁轭和右旁轭宽度F：4.6±0.15mm；气隙宽度G：0.01mm；磁芯最大宽度H1：6.6±0.2mm；磁芯主轭宽度H2：4.5±0.2mm。

对上述的基于本发明的正激变换器电路进行仿真，参见图6，得到输出直流电流与电压波形，输出电压U_out约为6V；输出直流电流I_d约为2A。可见，该变换器输出特性满足图5正激变换器的设计指标要求。

在基于本发明的正激变换器电路达到稳态时，变压器绕组电流和电感电流在集成磁件中所激励产生的磁通密度分布如图7所示，EPC磁芯的饱和磁密为B_m＝0.5T，而云图中最大磁密为0.87675T。但是，最大磁密仅分布在极小的磁芯气隙处，即图中小方框区域。除此之外，其余部分的磁密大小均在0.32891T以下。由此，仍可以认为磁芯处于非饱和工作状态，满足变换器工作要求。

本发明的EPC磁芯能够实现正激变换器中变压器绕组和滤波电感绕组的集成，极大地减小磁芯体积、重量；该新型EPC磁芯以“卧式”方式进行安装，具有良好的散热性能。且用于正激变换器的磁集成设计时，能够满足变换器设计需求。

Claims (10)

1.一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，包括两个结构相同的磁芯，磁芯包括磁芯主轭(3)，磁芯主轭(3)两端对称设置有左旁轭(1)和右旁轭(2)，磁芯主轭(3)上设置有磁芯中柱(4)，磁芯中柱(4)内开设有贯穿磁芯中柱(4)和磁芯主轭(3)的孔隙(5)，所述两个磁芯沿磁芯中柱(4)顶面轴向对称对接，两个磁芯的孔隙(5)连通，电感绕组(7)穿过孔隙(5)沿磁芯中柱(4)径向绕制，高压绕组(8)和低压绕组(9)沿磁芯中柱(4)轴向绕制，且高压绕组(8)和低压绕组(9)绕制在磁芯中柱(4)和电感绕组(7)外，高压绕组(8)绕制在低压绕组(9)外。

2.根据权利要求1所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述磁芯中柱(4)的侧面上沿轴向开设有贯穿磁芯中柱(4)和磁芯主轭(3)的气隙(6)，且气隙(6)与孔隙(5)相通，两个磁芯对接后的气隙(6)连通，电感绕组(7)穿过孔隙(5)沿磁芯中柱(4)径向绕制并包覆气隙(6)。

3.根据权利要求2所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述磁芯中柱(4)包括两端的侧面，以及中间的外侧面和内侧面，两端侧面为半圆弧面，中间的外侧面和内侧面为平面，磁芯中柱(4)的外侧面与左旁轭(1)、右旁轭(2)和磁芯主轭(3)的侧面齐平，气隙(6)开设在磁芯中柱(4)的外侧面上。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述磁芯中柱(4)与左旁轭(1)和右旁轭(2)等高，磁芯中柱(4)与左旁轭(1)和右旁轭(2)的顶面齐平。

5.根据权利要求1所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述孔隙(5)的截面与磁芯中柱(4)的截面相同。

6.根据权利要求5所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述孔隙(5)的长度为4.6±0.15mm，最大宽度为1.05mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述气隙(6)呈沿磁芯中柱(4)轴向的条状孔隙。

8.根据权利要求7所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述气隙(6)的宽度为0.01mm。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述磁芯材质为Mn-Zn铁氧体。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种用于正激变换器中变压器与电感集成的EPC磁芯，其特征在于，所述两个磁芯采用骨架固定连接，高压绕组(8)和低压绕组(9)绕制在骨架上。