CN108964463A - 具有共享磁芯部分的多相功率变换器 - Google Patents

具有共享磁芯部分的多相功率变换器 Download PDF

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CN108964463A
CN108964463A CN201810789868.2A CN201810789868A CN108964463A CN 108964463 A CN108964463 A CN 108964463A CN 201810789868 A CN201810789868 A CN 201810789868A CN 108964463 A CN108964463 A CN 108964463A
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罗贝特·H·基普利
布雷德利·J·舒马赫
安德烈亚斯·施蒂德尔
钱广基
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明公开了一种具有共享磁芯部分的多相功率变换器，所述多相功率变换器包括控制电路和多个子变换器。每个子变换器具有输入电路、输出电路、以及将输入电路耦接到输出电路的磁芯。多个子变换器中的至少一个子变换器的磁芯具有与所述多个子变换器中的另一个子变换器的磁芯共享的芯部分。控制电路被配置成以不同的相位操作多个子变换器的输入电路。磁芯可以为变压器、耦合电感器等的芯。

Description

具有共享磁芯部分的多相功率变换器
本申请是申请日为2011年12月29日、申请号为201110451779.5、发明名称为“具有共享磁芯部分的多相功率变换器”的原案申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及一种具有共享磁芯部分的多相功率变换器。
背景技术
本部分提供了与本公开相关的、不必然是现有技术的背景信息。
多相功率变换器包括操作在不同相位的两个或更多个开关式子变换器，通常用于提高总输出功率和/或减少在输出端处的纹波电流(ripple current)和/或电压。如图1A中所示，典型的多相功率变换器100可以包括两个子变换器102A、102B，每个子变换器具有变压器TX1、TX2。图1B示出了图1A中所示的变压器TX1、TX2的示例性磁芯104A、104B。图1B中所示的还有当每个磁芯104A、104B的相关联的初级绕组被激励时在该每个磁芯104A、104B中循环的磁通。
发明内容
本部分提供本公开的综合概述，但不是其全部特征或全部范围的全面公开。
根据本公开的一个方面，多相功率变换器包括控制电路和多个子变换器。每个子变换器包括输入电路、输出电路、以及将输入电路耦接到输出电路的磁芯。所述多个子变换器中的至少一个子变换器的磁芯具有与所述多个子变换器中的另一个子变换器的磁芯共享的芯部分。控制电路被配置成以不同的相位操作所述多个子变换器的输入电路。
所述多个子变换器的磁芯可以形成集成芯。另外，磁芯可以为变压器芯、耦合电感器芯等。
根据文中所提供的描述，另外的方面和适用领域将变得明显。应当理解，可以单独地或结合一个或更多个其他方面来实现本公开的各个方面。还应当理解，文中的描述和具体示例仅意在说明，而不意在限制本公开的范围。
附图说明
文中所描述的附图仅是为了说明所选择的实施例而不是所有可能的实施方式，并且不意在限制本公开的范围。
图1A是根据现有技术的具有隔离变压器的示例性多相功率变换器的框图。
图1B示出了图1A中所示的变压器的磁通路径和磁芯。
图2是根据本公开的一个示例性实施例的隔离多相功率变换器的框图。
图3A和图3B示出了根据本公开的另一个示例性实施例的具有共享芯部分的变压器芯。
图4是根据本公开的另一个示例性实施例的采用图3A和图3B的变压器芯的隔离多相功率变换器的电路图。
图5示出了根据本公开的再一个实施例的具有多个共享芯部分的多个变压器芯。
图6是根据本公开的又一个示例性实施例的采用图5的变压器芯的隔离多相功率变换器的电路图。
图7A至7D示出根据另一个实施例的具有共享芯部分的耦合电感器芯。
图8示出了根据再一个实施例的具有多个共享芯部分的多个耦合电感器芯。
图9示出了根据另一个示例性实施例的由包括共享芯部分的U型和I型芯部分形成的集成磁芯。
图10示出了根据另一个实施例的具有共享芯部分的双眼磁芯(binocularmagnetic core)。
图11示出了根据本公开的再一个实施例的具有多个共享芯部分的联体(conjoined)双眼磁芯。
具体实施方式
现在将参照附图更加全面地描述示例性实施例。
提供了示例性实施例，以使得本公开详尽地并全面地将范围传达给本领域的普通技术人员。阐述了许多具体细节(例如具体部件、设备和方法)以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域的普通技术人员，以下将是显然的：不需要采用具体细节；可以以多种不同形式来实施示例性实施例；并且这也不应被解释成限制该公开的范围。在一些示例性实施例中，对公知的过程(process)、公知的设备结构以及公知的技术不进行详细的描述。
文中所使用的术语只是为了描述特定的示例实施例而不意在限制。除非上下文清楚地另外表明,文中所使用的单数形式“一”和“所述/该”(“a”、“an”、“the”)也可以意在包括复数形式。用语“包括、包含(comprises，comprising，including)”和“具有(having)”是开放型的包括，并因此指定所陈述的特征、整体(integer)、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。文中所描述的方法步骤、过程和操作不被解释为必须要求其以所讨论或所示的特定顺序执行，除非所讨论或所示的特定顺序被明确地确定为执行顺序。还应当理解，可以采用另外的或可替换的步骤。
如果元件或层被称为“在……上”、“接合到”、“连接到”或“耦接到”另一个元件或层，则该元件或层可以直接在其他元件或层上、直接接合到其他元件或层、直接连接到其他元件或层、或者直接耦接到其他元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，如果元件被称为“直接在……上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一个元件或层，则不可以存在居间的元件或层。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在……之间”对比“直接在……之间”，“相邻”对比“直接相邻”等)。如文中所使用的，用语“和/或”包括所关联的列出项中的一个或更多个的任意组合以及所有组合。
尽管在文中可以使用第一、第二、第三等用语来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当被这些用语限制。这些用语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层和/或部分与另一个区域、层或部分区别开来。当文中使用诸如“第一”、“第二”和其他数值项的用语时，并不隐含顺序或次序，除非由上下文清楚地表明。因此，下文所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称作(term)第二元件、部件、区域、层或部分，而不偏离示例性实施例的教示。
为了便于描述，可以在文中使用诸如“内的”、“外的”、“在……之下”、“在……下方”、“较低的”、“在……上方”、“较高的”等空间相关用语来描述图中所示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。空间相关用语意在除了包括图中所示的方位之外，还包括使用中或工作中的设备的不同方位。例如，如果图中的设备被翻过来，则描述为“在其他元件或特征下方”、“在其他元件或特征之下”的元件会被定位为“在其他元件或特征上方”。因此，示例用语“在……下方”可以包括“在……上方”和“在……下方”这两个方位。设备可以以其他方式定位(旋转90度或以其他定位)，可以这里使用的空间相关描述符进行相应的解释。
根据本公开的一个示例性实施例的多相功率变换器在图2中示出，并总体上由参考标号200表示。如图2中所示，多相功率变换器200包括两个开关式子变换器SC1、SC2和控制电路202。每个子变换器SC1、SC2都具有输入电路2041、2042、输出电路2061、2062以及将输入电路2041、2042耦接到输出电路2061、2062的磁芯MC1、MC2。子变换器SC1、SC2具有共享芯部分208。控制电路202被配置成以不同的相位(例如，交迭的和/或不相交迭的相位)操作子变换器SC1、SC2的输入电路2041、2042。子变换器SC1、SC2的磁芯MC1、MC2形成集成芯(integrated core)。集成芯可以具有整体结构。或者，集成芯可以由机械地相互(例如，经由粘合剂或其他合适的手段)耦接的多个芯部分形成。在这种情况下，多个芯部分可以包括例如开环磁芯的组合，诸如E型芯或U型芯，在这些芯之间具有I型芯。
磁芯MC1、MC2可以是具有初级侧和次级侧的变压器芯。相应地，每个输入电路2041、2042可以是初级侧电路，每个输出电路2061、2062可以是次级侧电路。或者，每个磁芯MC1、MC2可以是耦合电感器的芯。
多相功率变换器200还包括输入VIN和输出VOUT。输入VIN耦接到输入电路2041、2042，输出VOUT耦接到输出电路2061、2062。或者，输入电路2041、2042可以具有独立的输入端子。输出VOUT包括输出端子212。
每个输入电路2041、2042可以包括环绕其磁芯延伸的一个或更多个绕组。另外，每个输出电路2061、2062可以包括环绕其磁芯延伸的一个或更多个绕组。
在图2中所示的示例实施例中，输出电路2061、2062每个都耦连到公共端子210。输出端子212可以直接耦连到公共端子210，或者通过诸如电感器214的一个或更多个电路元件耦连到公共端子210。
多相功率变换器200可以另外包括耦接到输出VOUT的滤波器。滤波器可以包括例如电感器214和/或输出电容器216。如图2中所示，电感器214和输出电容器216可以耦接在输出端子212和输出电路2061、2062的公共端子210之间。或者，可以采用其他合适的滤波器。
尽管在图2中只示出了两个子变换器，但是可以采用一个或更多个另外的子变换器。相应地，多相功率变换器200可以包括具有N-1个共享芯部分的N个子变换器，其中N是大于或等于二的整数。
虽然图2中控制电路202被示出为耦接到输入电路2041、2042，但是该控制电路202还可以耦接到输出电路2061、2062以控制例如输出电路2061、2062中的整流开关(未示出)。
控制电路202可以包括模拟和/或数字部件。在一些实施例中，控制电路202包括诸如数字信号处理器(DSP)的一个或更多个数字处理器，以用于控制输出电路2061、2062和/或输入电路2041、2042的操作。
图3A示出了用于第一变压器TXA和第二变压器TXB的集成芯300的示例性实施例。在例如上文所述的和图2中所示的子变换器SC1、SC2中，可以采用第一和第二变压器TXA、TXB。
第一变压器TXA具有EI型芯构型，第二变压器TXB具有E型芯构型。变压器TXA的EI型芯构型包括共享轭312(即，共享芯部分312)、轭304A以及从轭304A延伸到共享轭312的三个柱(leg)306A、308A、310A。变压器TXB的E型芯构型包括轭304B以及从轭304B延伸到共享轭312的三个柱306B、308B、310B。柱308A位于柱306A和柱310A之间，柱308B位于柱306B和柱310B之间。因此，柱308A、308B可被称为内柱。
如图3A中所示，第一变压器TXA包括环绕集成芯300的内柱308A延伸的初级绕组314A。类似地，第二变压器TXB包括环绕集成芯300的内柱308B延伸的初级绕组314B。或者，初级绕组314A、314B可以环绕集成芯300的其他部分延伸。在图3A中所示的示例性实施例中，变压器TXA、TXB的次级绕组也分别环绕内柱308A、308B延伸。另外，没有环绕共享芯部分312定位的绕组。
图3A示出了当第一变压器TXA的初级绕组314A被激励时在该第一变压器TXA中循环的磁通(由箭头表示)。第一变压器TXA的磁通流过内柱308A、柱306A、310A和共享芯部分312。类似地，图3B示出了当第二变压器TXB的初级绕组314B被激励时在该第二变压器TXB中循环的磁通。第二变压器TXB的磁通流过内柱308B、柱306B、310B和共享芯部分312。因此，每个变压器TXA、TXB的磁通都流过共享芯部分312。
可以以不相交迭的相位激励变压器TXA、TXB的初级绕组314A、314B。在这种情况下，当第一变压器TXA的磁通正在流动时(即，第一变压器TXA的接通时间)，第二变压器TXB的磁通是不流动的。相反地，当第二变压器TXB的磁通正在流动时(即，第二变压器TXB的接通时间)，第一变压器TXA的磁通是不流动的。相应地，第一变压器TXA和第二变压器TXB可以具有180度的相位差。更一般地，每个变压器可以以等于360/n的相位差来操作，其中n等于变压器的个数。
因此，相邻的变压器TXA、TXB的共享芯部分312可以被以不同相位切换的磁通分时共享。这可以减小集成芯300中的磁通密度，并因此减小铁耗。因此，可以提高变压器TXA、TXB的效率。
或者，可以以相交迭的相位来操作第一变压器TXA和第二变压器TXB。即，第一变压器TXA的接通时间和第二变压器TXB的接通时间可以交迭。这可以通过在(共享公共芯部分的)两个变压器TXA、TXB的初级绕组都被激励时对每个变压器TXA、TXB的磁通进行限制的主动控制方案来完成。
图4示出了隔离的两相交错正激变换器(forward converter，正向变换器)400的示意图，该隔离的两相交错正激变换器400采用了具有图3A和3B的共享芯部分312的变压器TXA、TXB。如图4中所示，次级侧电路每个都包括耦接到每个相应变压器TXA、TXB的次级绕组的整流器426A、426B(例如，二极管)。然而，应当理解，可以采用其他合适的正激变换器构型，也可以采用其他合适的功率变换器拓扑，而不偏离本公开的范围。
在一个优选实施例中，正激变换器400为900W的功率变换器，每个变压器TXA、TXB具有材料体积为10.8cm3的铁氧体芯。由于连结了所述芯，4cm3的铁氧体材料被共享，导致减少了18.5％的铁氧体材料。材料的减少提供了在芯的成本和物理尺寸两方面的节省。
图5示出了用于N个变压器TX1-TXN的集成芯500的另一个示例性实施例，其中N大于或等于二(或者在图5中所示的特定示例中，至少为5)。例如在图2的多相功率变换器200中，可以采用变压器TX1-TXN。每个变压器具有与相邻的变压器共享的芯部分C1-CN-1。在图5的示例中，变压器TX1-TXN-1每个都采用E型芯构型，而第N个变压器TXN采用EI型芯构型。每个变压器TX1-TXN包括一个或更多个初级绕组和一个或更多个次级绕组。
当变压器的一个或更多个初级绕组被激励时，磁通(由箭头所示)流过每个变压器的集成芯的部分，包括流过其共享芯部分。尽管图5示出了流过所有变压器TX1-TXN的磁通，但是应当理解，变压器TX1-TXN的初级绕组以不同的相位操作，该不同的相位可以交迭，或者可以不交迭。
图6示出了隔离多相正激变换器600，该隔离多相正激变换器600采用具有图5的共享芯部分C1-CN-1的变压器TX1-TXN。
图7A示出了用于第一耦合电感器CIA和第二耦合电感器CIB的集成芯700的示例性实施例。例如在上文所述和图2中所示的子变换器SC1、SC2中，可以采用第一和第二耦合电感器CIA、CIB。
第一耦合电感器CIA具有EI型芯构型，第二耦合电感器CIB具有E型芯构型。耦合电感器CIA的EI型芯构型包括共享轭712(即，共享芯部分712)、轭704A以及从轭704A延伸到共享轭712的三个柱706A、708A、710A。耦合电感器CIB的E型芯构型包括轭704B以及从轭704B延伸到共享轭712的三个柱706B、708B、710B。柱708A位于柱706A和柱710A之间，柱708B位于柱706B和柱710B之间。因此，柱708A、708B被称为内柱。
如图7A中所示，第一耦合电感器CIA包括环绕集成芯700的内柱708A延伸的输入侧绕组714A。类似地，第二耦合电感器CIB包括环绕集成芯700的内柱708B延伸的输入侧绕组714B。或者，输入侧绕组714A、714B可以环绕集成芯700的其他部分延伸。在图7A中所示的示例性实施例中，耦合电感器CIA、CIB的输出侧绕组也分别环绕内柱708A、708B延伸。另外，没有环绕共享芯部分712定位的绕组。
耦合电感器CIA、CIB的集成芯700可以具有和图3A中所示的集成变压器芯300相同的通常构型，除了集成芯700可以包括气隙(未示出)和/或由具有较高磁通饱和净空的芯材料形成之外。
图7A示出了当第一耦合电感器CIA的输入侧绕组714A被激励时(即，当耦合电感器CIA正在充电时)在该第一耦合电感器CIA中循环的磁通(由箭头表示)；图7B示出了当第一耦合电感器CIA的输入侧绕组714A没有被激励时(即，当耦合电感器CIA正在放电时)在该第一耦合电感器CIA中循环的磁通。在两个例子中，第一耦合电感器CIA的磁通流过内柱708A、柱706A、710A和共享芯部分712。类似地，图7C示出了当第二耦合电感器CIB的输入侧绕组714B被激励时在该第二耦合电感器CIB中循环的磁通；图7D示出了当第二耦合电感器CIB的输入侧绕组714B没有被激励时在该第二耦合电感器CIB中循环的磁通。在两个例子中，第二耦合电感器CIB的磁通流过内柱708B、柱706B、710B和共享芯部分712。相应地，每个耦合电感器CIA、CIB的磁通都流过共享芯部分712。
耦合电感器CIA、CIB的输入侧绕组714A、714B优选地以不相交迭的相位激励(即，使得在任何给定时刻绕组714A和714B不两者都被激励)。另外，当耦合电感器CIA放电时，可以不激励绕组714B，类似地，当耦合电感器CIB放电时，可以不激励绕组714A。或者，可以当耦合电感器CIA仍在放电时激励绕组714B，类似地，可以当耦合电感器CIB仍在放电时激励绕组714A。因此，第一耦合电感器CIA和第二耦合电感器CIB可以具有180度的相位差。更一般地，每个耦合电感器可以以等于360/n的相位差操作，其中n等于耦合电感器的个数。另外，可以通过具有高达百分之五十(50％)的占空比的驱动信号来激励每个绕组714A、714B。
因此，相邻的耦合电感器CIA、CIB的共享芯部分712可以被以不同相位切换的磁通分时共享。这可以减小集成芯700中的磁通密度，并因此减小铁耗。因此，可以提高耦合电感器CIA、CIB的效率。
图8示出了用于N个耦合电感器CI1-CIN的集成芯800的另一个示例性实施例，其中N大于或等于二(或者在图8中所示的特定示例中，至少为5)。例如在图2的多相功率变换器200中，可以采用耦合电感器CI1-CIN。每个耦合电感器都具有与相邻的耦合电感器共享的芯部分CISC1-CISCN-1。在图8的示例中，耦合电感器CI1-CIN-1每个都采用E型芯构型，而第N个耦合电感器CIN采用EI型芯构型。每个耦合电感器CI1-CIN包括一个或更多个输入侧绕组和一个或更多个输出侧绕组。
当耦合电感器的一个或更多个输入侧绕组正在充电或放电时，磁通(由箭头示出)流过每个耦合电感器的集成芯的部分，包括流过其共享芯部分。尽管图8示出了流过所有的耦合电感器CI1-CIN的磁通，但是应当理解，耦合电感器CI1-CIN的输入侧绕组被以不同的相位操作，该不同的相位可以交迭，或者可以不交迭。
图9示出了用于第一变压器A和第二变压器B的集成芯900的另一个示例性实施例。在上文所述以及图2中所示的子变换器SC1、SC2中，可以采用第一和第二变压器A、B。如图9中所示，第一变压器A具有UI型芯构型，第二变压器B具有U型芯构型。UI型芯构型包括邻接U型芯构型的共享芯部分。此外，如图9所示，每个变压器A、B包括环绕芯卷绕的初级和次级绕组。
图10示出了用于第一变压器A和第二变压器B的集成芯1000的再一个示例性实施例。在上文所述以及图2中所示的子变换器SC1、SC2中，可以采用第一和第二变压器A、B。如图10中所示，第一变压器A和第二变压器B包括具有共享芯部分的双眼芯构型。此外，如图10中所示，每个变压器A、B包括环绕芯卷绕的初级和次级绕组。
图11示出了用于四个变压器A-D的集成芯1100的另一个示例性实施例。在图2的多相功率变换器200中，可以采用变压器A-D。如图11中所示，变压器A-D包括在每个相邻的变压器之间具有共享芯部分的联体双眼芯构型。此外，如图11中所示，每个变压器A-D包括环绕芯卷绕的初级和次级绕组。
或者，耦合电感器可以分别使用图9中的集成芯900、图10中的集成芯1000、图11中的集成芯1100。另外，在图2的多相功率变换器200(例如，子变换器SC1、SC2)中，可以使用包括集成芯900、1000、1100的耦合电感器。
另外，在任何合适的开关电源、信号开关应用中，可以使用本公开的各种实施例，而不偏离本公开的范围。
为了示出和描述，提供了实施例的上述描述。所述实施例不意在穷举或限制本公开。特定实施例的单独的元件或特征通常不限制于特定实施例，而是在适用的情况下可互换，并且可以用于选择的实施例中，即使没有具体地示出或描述。同样也可以在多种方式上进行变化。这样的变化不被认为是偏离了本公开，所有的这样的修改意在被包括在本公开的范围内。

Claims (16)

1.一种多相功率变换器，包括：
多个子变换器，每个子变换器具有输入电路、输出电路、以及将所述输入电路耦接到所述输出电路的磁芯，所述多个子变换器中的至少一个子变换器的磁芯具有与所述多个子变换器中的另一个子变换器的磁芯共享的芯部分；以及
控制电路，所述控制电路被配置成以不同的相位操作所述多个子变换器的输入电路。
2.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，所述多个子变换器的磁芯形成集成芯。
3.根据权利要求2所述的多相功率变换器，其中，所述多个子变换器包括N个变换器，并且其中所述多个子变换器的磁芯包括N-1个共享的芯部分，其中N为大于或等于二的整数。
4.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，所述多个磁芯包括具有EI型芯构型的第一磁芯和具有E型芯构型的第二磁芯。
5.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，每个输出电路包括至少一个整流器。
6.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，每个输入电路包括环绕其磁芯延伸的一个或更多个绕组。
7.根据权利要求6所述的多相功率变换器，其中，每个输入电路的所述一个或更多个绕组环绕其磁芯的内柱延伸。
8.根据权利要求6所述的多相功率变换器，其中，在所述共享的芯部分上没有绕组。
9.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，所述输出电路每个都耦接到公共端子。
10.根据权利要求9所述的多相功率变换器，还包括耦接到所述公共端子的输出端子。
11.根据权利要求10所述的多相功率变换器，还包括耦接在所述公共端子和所述输出端子之间的电感器和/或电容器。
12.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，所述输入电路每个都采用正激变换器拓扑。
13.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，所述不同的相位为不相交迭的相位。
14.根据权利要求1所述的多相功率变换器，其中，所述不同的相位为交迭的相位。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的多相功率变换器，其中，每个磁芯是具有初级侧和次级侧的变压器的芯，每个输入电路为初级侧电路，每个输出电路为次级侧电路。
16.根据权利要求1-14中任一项所述的多相功率变换器，其中，每个磁芯为耦合电感器的芯。
CN201810789868.2A 2011-09-30 2011-12-29 具有共享磁芯部分的多相功率变换器 Pending CN108964463A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

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