CN109841398A - 一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统，属于电力电子技术领域。它包括N个高频开关网络、集成平面矩阵变压器和M个整流滤波网络组成，N和M均为大于1的自然数；其中，集成平面矩阵变压器包括N个k匝的初级绕组、M个p匝的次级绕组和磁芯，k、p均为正整数；其中磁芯包含上部构件和下部构件，下部构件由一个长方体磁板和其表面连接的N×M个大小形状均相同的磁柱所组成，上部构件为一个长方体磁板，并与下部构件相配合。本发明的优点在于：1.多个平面变压器的集成、减小体积，提高功率密度。2.不同的绕组排布方式会减少损耗，提高效率。3.自动实现各模块之间的均压均流，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的高速发展，以电力电子变换器为核心的电源行业获得了巨大的市场和强大的发展动力，开关电源的应用越来越广泛，如计算机电源，通信电源，航天电源，电解电镀，磁体电源和电动汽车等领域。同时，随着电力电子设备的不断发展，开关电源的发展趋势专注在小型化、高效率上，电源变压器作为其中最重要的器件之一得到了快速的发展。而高功率密度的需求则要求变换器能够实现高频化，从而减小磁性元件的体积，在此基础上，传统变压器已经难以满足需求，严重制约了装置整体的小型化。与之相比，平面变压器则因其诸如体积小、高度低的结构特点，散热性能好，制作上良好的重复性和准确性，低漏感以及较小的交流电阻，易于集成等独特的优点，在高频率、高功率密度的开关电源中得到了广泛运用。
专利CN102237187A中提到了单个平面变压器的集成制作的方法，但是没能解决多个平面变压器集成的问题；此外，各模块之间的均压均流也是组合变换系统的基本要求之一，文献“Zhiyuan Hu，Yajie Qiu，Laili Wang and Yan-Fei Liu.An Interleaved LLCResonant Converter Operating at Constant Switching Frequency IEEETransactions.Power Electron，vol.29，no.6，June 2014”中为了实现各模块之间的均流增加了额外的电路以及相关的控制策略，未能实现各模块之间的自动均压均流。因此，解决多个平面变压器集成的问题并实现各模块之间的自动均压均流就是本发明设计的重点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统和该平面变压器的原副边绕组排布方式，实现了多个平面变压器的集成和各模块之间的自动均压均流。
本发明的目的可以通过以下方案实现：一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统由N个高频开关网络、集成平面矩阵变压器和M个整流滤波网络组成，N和M均为大于1的自然数；
所述集成平面矩阵变压器包括N个k匝的初级绕组、M个p匝的次级绕组和具有N×M个磁柱的磁芯，k、p均为正整数；其中磁芯包含上部构件和下部构件，下部构件由一个长方体磁板和其表面连接的N×M个大小形状均相同的磁柱所组成，其中相邻磁柱之间的距离相同且为边缘磁柱与磁板边缘水平距离的两倍，上部构件为一个长方体磁板，其形状大小与下部构件中的长方体磁板部分相同，并与下部构件相配合；
所述直流变换系统中，N个高频开关网络与N个初级绕组依次相连，M个整流滤波网络与M个次级绕组依次相连。
所述集成平面矩阵变压器的绕组连接方式采用以下三种方式中的任意一种：
方式1：每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行每个磁柱单元上绕过k/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组，此时相邻磁柱单元外的电流流向相反，产生的磁场方向相反；每个次级绕组沿其对应的磁柱列的一侧由始端伸展至末端，再沿该列另一侧由末端伸展至始端，以同样的方式绕制p圈形成闭合回路，此时相邻磁柱单元外的电流流向相同，产生的磁场方向也相同。
方式2：每个初级绕组沿其对应的磁柱行的一侧由始端伸展至末端，再沿该行另一侧由末端伸展至始端，以同样的方式绕制k圈形成闭合回路；每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列每个磁柱单元上绕过p/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
方式3：每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行每个磁柱单元上绕过k/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组；每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列每个磁柱单元上绕过p/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
所述基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统的高频开关网络为半桥式或全桥式电路拓扑，所述整流滤波网络为桥式整流电路拓扑。
所述基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统的原边N个高频开关网络的输入可以并联连接或串联连接，副边M个整流滤波网络的输出可以并联连接或串联连接。
本发明具有如下有益效果：
1.多个平面变压器的集成、减小体积，提高功率密度。
2.不同的绕组排布方式，根据实际情况中绕组损耗和磁通损耗的影响因素选择合适的，从而减少损耗，提高效率。
3.自动实现各模块之间的均压均流，无需额外电路，降低成本，提高了功率密度。
附图说明
附图1为本发明基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统主电路拓扑的结构示意图；
附图2为本发明集成平面矩阵变压器的磁芯结构的示意图；
附图3为本发明集成平面矩阵变压器的原副边绕组排布方式一示意图；
附图4为本发明集成平面矩阵变压器的原副边绕组排布方式二示意图；
附图5为本发明集成平面矩阵变压器的原副边绕组排布方式三示意图；
附图6为本发明基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统的高频开关网络和整流滤波网络拓扑的示意图。
附图7为本发明实施例的主电路拓扑的结构示意图；
附图8为本发明实施例中集成平面矩阵变压器的磁芯结构示意图；
附图9为本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组排布方式一示意图；
附图10为本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组排布方式二示意图；
附图11为本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组排布方式三示意图；
附图12为本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组特殊排布方式示意图；
以上附图中的符号名称：10、20…N0代表N个原边高频开关网络，01、02…0M代表M个副边整流滤波网络。Vin1、Vin2…VinN为N个高频开关网络的输入电压，v1、v2…vN为输入电压分别经过N个高频开关网络后的输出电压，Vo1、Vo2…VoM为M个经过整流滤波电路后的输出电压；S1～S4N为开关管，D1～D4M为二极管，Co1～CoM为输出电容。T11、T12…T1M…T21、T22…T2M…TN1、TN2…TNM为N×M个平面变压器单元；NP11、NP12…NP1M…NP21、NP22…NP2M…NPN1、NPN2…NPNM为N×M个初级绕组；NS11、NS12…NS1M…NS21、NS22…NS2M…NSN1、NSN2…NSNM为N×M个次级绕组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所述的一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统结构示意图如附图1所示。所述基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统由N个高频开关网络、集成平面矩阵变压器和M个整流滤波网络组成，N和M均为大于1的自然数。其中，所述集成平面矩阵变压器包括N个k匝的初级绕组、M个p匝的次级绕组和具有N×M个磁柱的磁芯，k、p均为正整数；
本发明集成平面矩阵变压器的磁芯结构的示意图如附图2所示，其中磁芯包含上部构件和下部构件，下部构件由一个长方体磁板和其表面连接的N×M个大小形状均相同的磁柱所组成，其中相邻磁柱之间的距离相同且为边缘磁柱与磁板边缘水平距离的两倍，上部构件为一个长方体磁板，其形状大小与下部构件中的长方体磁板部分相同，并与下部构件相配合；
在本发明所述的基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统中，所述集成平面矩阵变压器的原副边绕组连接方式采用以下三种方式中的任意一种。
本发明集成平面矩阵变压器的原副边绕组排布方式一示意图如附图3所示，每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行每个磁柱单元上绕过k/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组，此时相邻磁柱单元外的电流流向相反，产生的磁场方向相反；每个次级绕组沿其对应的磁柱列的一侧由始端伸展至末端，再沿该列另一侧由末端伸展至始端，以同样的方式绕制p圈形成闭合回路，此时相邻磁柱单元外的电流流向相同，产生的磁场方向也相同。
本发明集成平面矩阵变压器的原副边绕组排布方式二示意图如附图4所示，每个初级绕组沿其对应的磁柱行的一侧由始端伸展至末端，再沿该行另一侧由末端伸展至始端，以同样的方式绕制k圈形成闭合回路；每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列每个磁柱单元上绕过p/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
本发明集成平面矩阵变压器的原副边绕组排布方式三示意图如附图5所示，每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行每个磁柱单元上绕过k/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组；每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列每个磁柱单元上绕过p/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
本发明所述的基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统的高频开关网络和整流滤波网络拓扑如附图6所示，高频开关网络为半桥式或全桥式电路拓扑，所述整流滤波网络为桥式整流电路拓扑，原边N个高频开关网络的输入可以并联连接或串联连接，副边M个整流滤波网络的输出可以并联连接或串联连接。
本发明实施例的主电路拓扑的结构示意图如附图7所示，一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统，由2个高频开关网络、集成平面矩阵变压器和2个整流滤波网络组成。
所述集成平面矩阵变压器包括2个单匝的初级绕组、2个单匝的次级绕组和具有2×2个磁柱的磁芯；本发明实施例中集成平面矩阵变压器的磁芯结构示意图如附图8所示，其中磁芯包含上部构件和下部构件，下部构件由一个方形磁板和其表面连接的2×2个大小形状均相同的磁柱所组成，其中相邻磁柱之间的距离相同且为边缘磁柱与磁板边缘水平距离的两倍，上部构件为一个方形磁板，其形状大小与下部构件中的方形磁板部分相同，并与下部构件相配合；
所述直流变换系统中，2个高频开关网络与2个初级绕组依次相连，2个整流滤波网络与2个次级绕组依次相连。
本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组排布方式一示意图如附图9所示。每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行第一个磁柱单元上绕过1/2匝后进入第二个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。每个次级绕组沿其对应的磁柱列的一侧由始端伸展至末端，再沿该列另一侧由末端伸展至始端。
本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组排布方式二示意图如附图10所示。每个初级绕组沿其对应的磁柱行的一侧由始端伸展至末端，再沿该行另一侧由末端伸展至始端。每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列第一个磁柱单元上绕过1/2匝后进入第二个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组排布方式三示意图如附图11所示。每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行第一个磁柱单元上绕过1/2匝后进入第二个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列第一个磁柱单元上绕过1/2匝后进入第二个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
本发明实施例中集成平面矩阵变压器的绕组特殊排布方式示意图如附图12所示。每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行第一个磁柱单元上绕过1/2匝后进入第二个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。2个次级绕组沿两条对角线的一侧由始端伸展至末端，再沿该对角线另一侧由末端伸展至始端。此种绕组排布方式，兼具了方式一二三的优点，绕组损耗小且磁通损耗小，不过只适用于2×2的场合。
这几种绕组排布方式，由于每个变压器单元的变比均相同，原边的N个高频开关网络和副边的M个整流滤波网络也相同，所以各模块之间可以自动实现均压均流，无需额外的电路。
所述直流变换系统的高频开关网络为全桥开关网络；整流滤波网络为桥式整流网络。
以上所述仅是本发明的其中一个实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统，其特征在于：
所述基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统由N个高频开关网络、集成平面矩阵变压器和M个整流滤波网络组成，N和M均为大于1的自然数；
所述集成平面矩阵变压器包括N个k匝的初级绕组、M个p匝的次级绕组和具有N×M个磁柱的磁芯，k、p均为正整数；其中磁芯包含上部构件和下部构件，下部构件由一个长方体磁板和其表面连接的N×M个大小形状均相同的磁柱所组成，其中相邻磁柱之间的距离相同且为边缘磁柱与磁板边缘水平距离的两倍，上部构件为一个长方体磁板，其形状大小与下部构件中的长方体磁板部分相同，并与下部构件相配合；
N个高频开关网络与N个初级绕组依次相连，M个整流滤波网络与M个次级绕组依次相连。
2.基于权利要求1所述的基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统，其特征在于：所述集成平面矩阵变压器的绕组连接方式采用以下三种方式中的任意一种：
方式1：每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行每个磁柱单元上绕过k/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组；每个次级绕组沿其对应的磁柱列的一侧由始端伸展至末端，再沿该列另一侧由末端伸展至始端，以同样的方式绕制p圈形成闭合回路；
方式2：每个初级绕组沿其对应的磁柱行的一侧由始端伸展至末端，再沿该行另一侧由末端伸展至始端，以同样的方式绕制k圈形成闭合回路；每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列每个磁柱单元上绕过p/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组；
方式3：每个初级绕组在其对应的磁柱行的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，初级绕组在该行每个磁柱单元上绕过k/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组；每个次级绕组在其对应的磁柱列的一侧与另一侧之间由始端向末端交替排布，次级绕组在该列每个磁柱单元上绕过p/2匝后进入下一个磁柱单元，至末端再按同样方式折回始端形成闭合绕组。
3.基于权利要求1所述的基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统，其特征在于：所述高频开关网络为半桥式或全桥式电路拓扑，所述整流滤波网络为桥式整流电路拓扑。
4.基于权利要求1所述的基于集成平面矩阵变压器的直流变换系统，其特征在于：N个高频开关网络的输入可以并联连接或串联连接，M个整流滤波网络的输出可以并联连接或串联连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190604 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |