CN107785156B - 变压器型电感器及使用该电感器的功率变换器 - Google Patents

变压器型电感器及使用该电感器的功率变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有粉状磁性物质的变压器型电感器和使用该变压器型电感器的功率变换器。通过应用具有抗电流饱和特性的材料代替在功率变换器中应用的传统的变压器型电感器的磁芯材料，变压器型电感器和功率变换器可减小在逆变器功率模块(IGBT)中流动的峰值电流，提高逆变器效率，减小输出RMS电流(输出有效电流)，并且减小电容消耗。因此，改善了当产生高电流时因磁芯饱和引起的电感减小率，并且防止开关器件中流动的电流突然增加。

Description

变压器型电感器及使用该电感器的功率变换器
技术领域
本发明涉及一种变压器型电感器(trans inductor)和使用该变压器型电感器的功率变换器，且更具体地，涉及一种提高环境友好车辆，例如插电式混合动力车辆和电动车辆的系统效率的变压器型电感器和功率变换器。
背景技术
最近，全球环境问题的产生引发了对环境友好车辆的兴趣。具体地，直接影响燃料效率的逆变器的效率的提高已成为重要的问题，并且已经对升高电池电压以升高输入到逆变器的电压从而提高逆变器的效率的高压直流直流(DC-DC)变换器(HDC)进行了研究。
通常地，使用电动机作为动力源的环境友好车辆(例如，插电式混合动力车辆或电动车辆)包括：电池，其作为电动机的电源；逆变器，其布置在电池和电动机，配置成对电池的输出进行转换以驱动之间的电动机；以及，HDC，其布置在电池与逆变器之间，配置成升高电池电压从而升高输入到的逆变器的电压。
例如，为了提高用于改善车辆的燃料效率的逆变器的效率，环境友好车辆使用被称为高压DC-DC变换器(HDC)的电池升压变换器来升高逆变器输入电压以减小输入电流。
具体地，升压变换器(例如，HDC)使用双向升压降压变换器。因此，影响HDC性能的代表性部件是决定纹波电流的电感器。在传统的升压降压变换器中使用的电感器的示例包括普通的电感器，交错并联电感器和变压器型电感器。通常地，普通的电感器使得在平滑电容器(例如，逆变器输入电容器)中流动的纹波电流增加，因此电容器的电容增加。此外，尺寸或成本也增加。交错并联电感器使在电容器中流动的纹波电流减少一半，然而，在HDC变换器模块中流动的纹波电流增加并且损耗也增加。
通常地，变压器型电感器使用铁氧体作为其磁芯的材料。例如，在瞬时产生高电流的车辆系统中，当使用由铁氧体形成的磁芯时，由于产生高峰值电流，磁芯饱和，并且其可能损失磁性物质的独特特性。当在功率变换器等中使用传统的电感器，从而瞬时产生高电流时，开关器件(IGBT)中将产生高峰值电流。因此，由于高纹波电流或者磁芯饱和，且磁性物质的独特特性减弱，因此需要具有高电容的电容器。
图1是示出根据现有技术使用普通的电感器的功率变换器的结构的示例图。图2是示出根据现有技术的使用交错并联电感器的功率变换器的结构的示例性图。图3是示出根据现有技术的使用铁氧体磁芯型变压器型电感器的功率变换器的结构的示例图。图1至图3示出了对于用作环境友好车辆的电动机的电源的电池进行功率变换的示例性结构，并且示出了包括电感器2、12和22，HDC变换器模块3、13、23，电池1、11、21，平滑电容器4、14、24，以及逆变器功率模块5、15、25的HDC的连接状态。
具体地，图1的功率变换器使用普通的电感器2，除电感器以外，其电路结构与图2和图3的功率变换器相同。与交错并联电感器12及铁氧体磁芯型变压器型电感器22相比，在平滑电容器4中流动的纹波电流加倍，并且为了实现等效的性能，电容也需要进行加倍。换句话说，当在功率变换器的HDC电感器中使用普通的电感器时，在高电流流过时将产生高峰值电流。因此，需要增加电容，并且高峰值电流产生高噪声，这减少了车辆的电磁波和部件的寿命。
此外，当图2的功率变换器使用交错并联电感器12时，逆变器输入侧的平滑电容器14的电容将减小。然而，高峰值电流在HDC变换器模块13中流动，这增加了开关损耗和噪声，并且将对车辆的电磁波和部件的寿命产生不利影响。如图3的功率变换器所示，使用铁氧体磁芯型变压器型电感器22，当高电流瞬时产生时，由于电感器磁芯饱和，电感减小。换句话说，开关器件中电流突然增加。
在本部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可以包括不形成在本国的本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了一种变压器型电感器和使用该变压器型电感器的功率变换器。通过应用具有强抗电流饱和特性(即，即使在瞬时产生高电流时也不容易发生电流饱和的特性)的材料代替在功率变换器中使用的传统的变压器型电感器的磁芯材料，改善在产生高电流时因磁芯饱和引起的电感减小率，从而防止开关器件中的电流快速增加，在逆变器功率模块(IGBT)中流动的峰值电流可减小，逆变器效率可提高，并且输出RMS电流(例如，输出有效电流)可减小，可减小电容消耗。
在示例性实施例中，一种变压器型电感器可包括通过压缩粉状Hiflux(高通量材料)形成的磁芯。此外，该磁芯可包括：第一线圈部和第二线圈部，其缠绕在相对侧以彼此面对。
在另一示例性实施例中，一种功率变换器可包括：电池，其配置成向高压DC-DC变换器(HDC)变换器模块供电，其中，该HDC变换器模块配置成对电池的电压进行升压并输出；以及，变压器型电感器，其布置在电池与HDC变换器模块之间，并配置成减小在HDC变换器模块中流动的峰值电流。变压器型电感器可包括由Hiflux形成的磁芯。此外，功率变换器还可包括：平滑电容器，其与HDC变换器模块的输出端口连接，并配置成将HDC变换器模块的输出电压转换为DC电压。
附图说明
现将参考示出示例性实施例详细描述本发明的上述及其它特征，在下文中附图仅以阐释的方式给出，因此不限制本发明，其中：
图1是示出根据现有技术的使用普通的电感器的功率变换器的结构的示例图；
图2是示出根据现有技术的使用交错并联电感器的功率变换器的结构的示例图；
图3是示出根据现有技术的使用铁氧体磁芯型变压器型电感器的功率变换器的结构的示例图；
图4是示出根据本发明的示例性实施例的变压器型电感器的示例图；
图5A和图5B是示出根据本发明的示例性实施例的变压器型电感器的磁芯和线圈部的示例图；
图6是示出根据本发明的示例性实施例的使用变压器型电感器的功率变换器的示例图；
图7是示出根据本发明的示例性实施例的施加到各个部件的电流和电压，以及根据功率变换器的输入电流的开关器件的操作的示例图；
图8是示出根据本发明的示例性实施例的，示出在使用变压器型电感器的功率变换电路中的电容器的RMS电流和HDC变换器模块的纹波电流的改善效果的实验结果的示例图；
图9是示出根据本发明的示例性实施例的，示出根据使用变压器型电感器的功率变换电路的输出功率的电感器效率的实验结果的示例图；
图10是示出根据本发明的示例性实施例的，示出变压器型电感器的电感改善效果的实验结果的示例性曲线图；以及
图11和图12是示出根据本发明的示例性实施例的，示出Hiflux磁磁芯的磁导率维持能力的实验结果的示例性曲线图。
应当理解的是，呈现出说明本发明的基本原理的各种特征的某些简化代表的附图无需按比例绘制。如本文所公开的，包括例如，特定尺寸、方向、位置，和形状的本发明的特定的设计特征将部分地由特定预期应用和使用环境确定。在附图中，贯穿附图中若干幅图，相同的附图标记指代本发明的相同或等效的部分。
具体实施方式
在下文中，将详细参考本发明的各种实施例，其示例在附图中示出并在下文中进行描述。尽管将结合示例性实施例描述本发明，但是将理解的是，本描述不意图于将本发明限制于这些示例性实施例。正相反，本发明意在不仅覆盖这些示例性实施例，而且还覆盖可被包括在由所附权利要求界定的本发明的精神和范围内的各种变化、修改、等效和其他示例性实施例。
本文所使用的专有名词仅是为了说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部组合。例如，为了使本发明的描述清楚，将不示出不相关的部分，并且为了清楚，夸大层和区域的厚度。此外，当陈述一层在另一层或基底“上”时，该层可以直接位于另一层或基底上，或者可以在其间布置第三层。
还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部组合。
除非特别陈述或从上下文显而易见，如本文所使用的，词语“约”被理解为处在本领域的正常容差范围内，例如在平均值的2倍标准偏差内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文另外明确，本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。
应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他相似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、公交车、卡车、各式商用车辆在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、内燃车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其他代用燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。
参考图4、图5A和图5B，根据本发明的示例性实施例的变压器型电感器120可以是变压器型两相电感器，并且可包括安装在外壳128中的磁芯122和缠绕在磁芯122上的线圈部124和126。磁芯122可由具有减弱电流饱和的特性的粉状磁性物质形成，并且可通过以矩形环等的形式压缩粉状材料而形成，例如具有在其一侧形成的开口的矩形环，并且在这种情况下其可以具有圆形横截面。
线圈部124和126可以包括缠绕在磁芯122的相对侧、且布置成彼此面对的第一线圈部124和第二线圈部126。换句话说，第一线圈部124和第二线圈部126可缠绕在磁芯122上除磁芯122的开口以外的部分上。可通过压缩形成磁芯122。具体地，可压缩粉状磁性物质中具有抗电流饱和的特性的粉状磁性物质，并且可由Hiflux等的材料形成。
使用由粉状磁性物质形成的磁芯的变压器型电感器120可包括由诸如Hiflux的材料形成的磁芯122，并且可改善与电流饱和有关的性能。例如，与使用铁氧体磁芯的传统的变压器型电感器相比，即使在高电流瞬时产生并流动时，也能够防止电感的下降。与传统的电感器相比，根据本发明的示例性实施例的变压器型电感器120可由Hiflux形成，从而简化磁芯的形状并减小磁芯的尺寸和重量。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的使用粉状磁性物质磁芯型变压器型电感器的功率变换器。图6示出了用于对可用作环境友好车辆的电动机的电源的电池110进行功率变换的结构，并且可提供HDC的连接状态。例如，HDC的连接状态可包括变压器型电感器120和HDC变换器模块130、配置成供电的电池110、平滑电容器140和逆变器功率模块150(例如，逆变器)。功率变换器可配置成通过变压器型电感器120、HDC变换器模块130和平滑电容器140来升高逆变器功率模块150的输入电压Vc。
逆变器功率模块150可配置成将电池110的输出进行转换，以驱动电动机，并且可被布置在电池110和电动机(未示出)之间。用于升高电池110的电压以升高逆变器功率模块150的输入电压的HDC可布置在电池110与逆变器电源模块150之间。平滑电容器140可布置在HDC变换器模块130与逆变器功率模块150之间。电池110可以是作为混合动力车辆、电动车辆内的电动机的动力(例如，电源)进行安装的锂高压电池，并且可具有约100V至400V范围的输入电压。
变压器型电感器120可以是具有变压器结构的交错型电感器，并且可布置在电池110与HDC变换器模块130之间。由于漏电感和磁化电感的同时作用，因此与普通的单相电感器相比，平滑电容器140中流动的纹波电流可减小且电容器的电容可减小。与传统的交错并联电感器相比，在HDC变换器模块130的开关器件Q1、Q2、Q3和Q4中流动的峰值电流可被减小来提高效率。换句话说，当高电流瞬时产生并流动时，变压器型电感器120可防止粉状磁性物质磁芯(即，Hiflux磁芯)饱和，可保持磁性物质的特性，并且可以防止电感的突然减小。因此，可防止在与变压器型电感器120的输出侧连接的HDC变换器模块130和平滑电容器140中流动的电流和快速或突然增加。
变压器型电感器120可配置成包括第一线圈部124的端部124a，该端部与电池110的一侧连接并可被设置为点(例如，绕着磁芯缠绕线圈的起点)，以及第二线圈部126的端部126b，该端部与HDC变换器模块130的一侧连接并且可以是点。因此，变压器型电感器120可减小在平滑电容器140中流动的纹波电流。例如，可使用由具有抗电流饱和特性的粉状磁性物质形成的磁芯122来形成变压器型电感器120。具体地，即使当高电流瞬时产生时，磁芯122将不饱和，并且电路中的开关器件可得到保护。逆变器效率可被提高且可热特性可被改善。因此，应用变压器型电感器120的功率变换器可被保护。
此外，HDC变换器模块130可配置成通过操作开关器件Q1、Q2、Q3和Q4中的每一者来对电池110的输出电压进行升压并输出。可增加逆变器输入电压Vc来减小流经逆变器功率模块150的平均电流。因此，逆变器效率得以提高。平滑电容器140可与HDC变换器模块130的输出端口并联连接。此外，平滑电容器140可持续地使不连续的电流和电压平滑，并且可配置成将HDC变换器模块130的输出电压进行转换。换句话说，逆变器输入电压Vc可以被转换为DC电压。逆变器功率模块150可配置成通过开关器件的操作来驱动与逆变器输出端口连接的车辆电动机(未示出)。
如图7所示，具有上述配置的功率变换器可配置成提供施加到各个部件的电流和电压，并且根据输入电流提供开关器件的操作。图7示出了通过变压器型电感器120输入到HDC变换器模块130的电流Iin1和Iin2，施加到平滑电容器140的电流Ic，HDC变换器模块130的开关器件Q1、Q2、Q3和Q4的接通/关断操作，以及平滑电容器140的输出电压Vc，即当功率变换器的电池110配置成输出输入电流Iin时的逆变器输入电压Vc。
在下文中，将参考以下示例详细描述本发明的一个或多个示例性实施例。然而，这些示例不意图于限制本发明的一个或多个实施例的目的和范围。
示例1
一种变压器型两相电感器(变压器型电感器)，其配置成包括：两个线圈部，其通过在通过压缩Hiflux粉末形成的Hiflux磁芯的相对侧处缠绕导线而形成。Hiflux粉末以矩形环的形式进行压缩，并在约200V的锂电池与HDC变换器模块之间连接。电容器与HDC变换器模块的输出端口连接，以设计出通过从图6的结构中省去逆变器功率模块而形成的电路。
比较例1
制备单相电感器并将该电感器连接在约200V的锂电池与HDC变换器模块之间。随后，将电容器与HDC变换器模块的输出端口连接，以设计出通过从图1的结构中省去逆变器功率模块所形成的电路。电容器包括与上述示例1中使用的电容器基本相似的电容。单相电感器具有与上述示例1中使用的电感器基本相似的尺寸。
比较例2
制备通过将两个单相电感器连接而形成的交错并联电感器，并将该电感器连接在约200V的锂电池与HDC变换器模块之间。随后，将电容器与HDC变换器模块的输出端口连接，以设计出通过从图2的结构中省去逆变器功率模块所形成的电路。电容器m具有与上述示例1中使用的电容器基本相似的电容，并且交错并联电感器具有与上述示例1中使用的电感器基本相似的尺寸。
比较例3
通过在铁氧体磁芯的相对侧缠绕导线来形成两个线圈部从而形成的变压器型两相电感器(变压器型电感器)可在约200V的锂电池与HDC变换器模块之间连接。随后，可将电容器与HDC变换器模块的输出端口连接，以设计出通过从图3的结构中省去逆变器功率模块所形成的电路。电容器可具有与上述示例1中使用的电容器基本相同的电容，并且电感器可具有与示例1中使用的电感器基本相同的尺寸。
实验例1
在示例1和比较例1以及比较例2的电路中，测量每个电容器的均方根(RMS)电流以及每个HDC变换器模块的纹波电流。因此，在图8中示出测量结果。在图9中示出每个电路的电感器效率根据每个电路的输出功率的变化情况。
实验例2
具体地，电路中的开关器件的接通/关断操作可配置成在基本相似的条件下进行调整。测量施加到示例1的变压器型电感器的电压和电流以及施加到比较例3的变压器型电感器的电压和电流，以计算每个电感器的电感，并且在图10中示出计算结果。
从图8中看出，在示例1的电路中测量的电容器的RMS电流具有比在比较例1和比较例2的电路中测量的电容器的RMS电流更小的值。因此，示例1的电路中电容器的尺寸和电容可减小。此外，在示例1的电路中测量的HDC变换器模块的纹波电流具有比在比较例1和比较例2的电路中测量的HDC变换器模块的纹波电流更小的值。因此，示例1的电路中开关器件的效率可得以提高，并且热量可减少。
从图9中看出，示例1的相对于输出功率的电感器效率大于比较例1和比较例2的电感器效率。具体地，在由虚线所示的对应于车辆燃料效率模式中的主要使用区的低输出阶段中，效率差较大。此外，从图10中看出，当输入电流增大时，比较例3的变压器型电感器的电感迅速减小，并且当输入电流增大时，示例1的变压器型电感器的电感逐渐减小。
图11和12是示出了根据本发明的示例性实施例的示出了Hiflux磁芯的磁导率的维持能力的实验结果的示例性曲线图。从图11看出，与由不同材料形成的磁芯相比，Hiflux磁芯的根据DC电流(例如，DC磁场的强度)变化的磁导率可被改善。如图12所示，与由不同材料形成的磁芯相比，Hiflux磁芯的基于温度变化的磁导率可被改善。
由于使用根据本发明的示例性实施例的变压器型电感器，配置成在逆变器的输入侧的平滑电容器中流动的RMS电流可减小。因此，电容器部件的尺寸和电容可以减小。此外，施加在HDC变换器模块的纹波电流可减小，并且开关器件寿命可增加。此外，可以防止电感器饱和并且可以减少噪声。
已经参考本发明的示例性实施例详细描述了本发明。然而，本领域技术人员将理解的是，在不违背本发明的原理和精神的情况下，可以在这些示例性实施例中做出修改，本发明的范围由所附权利要求和其等效范围进行界定。

Claims (7)

1.一种功率变换器，包括：
电池，其被配置成向高压直流直流变换器HDC变换器模块供电，
其中，所述HDC变换器模块配置成对所述电池的电压进行升压并输出；以及
变压器型电感器，其布置在所述电池与所述HDC变换器模块之间，并配置成减小在所述HDC变换器模块中流动的峰值电流，
其中所述变压器型电感器包括：由Hiflux形成的磁芯，缠绕在所述磁芯上的第一线圈部和第二线圈部，所述第一线圈部和所述第二线圈部缠绕在所述磁芯的相对侧并布置成彼此面对。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，所述功率变换器还包括：
平滑电容器，其与所述HDC变换器模块的输出端口连接，并配置成将所述HDC变换器模块的输出电压转换为直流电压。
3.一种用于操作功率变换器的方法，所述方法包括以下步骤：
通过控制器配置高压直流直流变换器HDC变换器模块，其中，所述HDC变换器模块包括变压器型电感器和配置成向平滑电容器和逆变器功率模块供电的电池；以及
调整所述功率变换器，以通过所述变压器型电感器、所述HDC变换器模块和所述平滑电容器来升高所述逆变器功率模块的输入电压，
其中所述变压器型电感器包括：由Hiflux形成的磁芯，缠绕在所述磁芯上的第一线圈部和第二线圈部，所述第一线圈部和所述第二线圈部缠绕在所述磁芯的相对侧并布置成彼此面对，
其中所述变压器型电感器布置在所述电池与所述HDC变换器模块之间，并配置成减小在所述HDC变换器模块中流动的峰值电流。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
调整所述电池的输出电压以驱动电动机，
其中所述功率变换器模块布置在所述电池与电动机之间。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，配置成升高所述电池的电压来升高所述逆变器功率模块的输入电压的高压直流直流变换器布置在所述电池与所述逆变器功率模块之间。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述平滑电容器布置在所述HDC变换器模块与所述逆变器功率模块之间。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述电池是锂高压电池，并且其具有100V至400V范围的输入电压。
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