CN112652439A - 一种变压器和电感混合磁集成结构 - Google Patents

一种变压器和电感混合磁集成结构 Download PDF

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吴红飞
刘越
葛子贤
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Abstract

本发明公开了一种变压器和电感混合磁集成结构，属于电力电子技术领域。所述的一种变压器电感磁集成结构由一副至少含有4个绕线磁柱及若干非绕线柱的磁芯、初级绕组以及次级绕组构成；既能将一个变压器和两个电感集成在一个磁芯中，又能实现绕组结构的灵活配置，可以实现任意的变压器匝比和任意的励磁电感、漏感比，还能降低磁芯损耗、提高效率，同时，集成结构大大减小了功率磁件的体积重量，有助于提高变换器功率密度。本发明特别适用于双向CLLC谐振变换器等各类利用变压器、电感进行高频、高效、高功率密度功率变换的应用场合。

Description

一种变压器和电感混合磁集成结构
技术领域
本发明涉及一种变压器和电感混合磁集成结构，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着现代电力电子技术的迅速发展、高频器件的诞生，开关电源向着高频化、集成化和模块化的方向发展。对于电源转换装置而言，提高开关频率能够显著减小无源器件的体积，如电感、变压器等，从而提升变换器的功率密度。但是较高的开关频率增加了变换器的开关损耗，因此学者们大力研究软开关技术。谐振变换器以其出色的软开关、高效率、高功率密度等特性而获得工业界青睐。其中，CLLC谐振变换器由于其结构的对称性，可以实现双向功率传输，且能够在全负载范围内实现软开关，因此在电池充放电、车联网(V2G)等领域得到广泛应用。但是由于CLLC变换器一次侧和二次侧均存在一个谐振电感，不利于功率密度的提高。为了进一步提高变换器的功率密度，采用磁集成技术，把变压器和两个谐振电感集成到一个磁芯中，成为行之有效的手段之一。
专利“CN 109787478 A”针对CLLC变换器提出了磁集成方案，每个电感均与变压器共用一片磁芯或者两个电感共用一片磁芯后其中一个电感再与变压器共用一片磁芯，从而降低磁芯体积。但是这种方法仅仅将变压器和电感拼接到一起，磁芯结构不是最优。而文献“Bin Li，Qiang Li and Fred C.Lee.High-Frequency PCB Winding Transformer WithIntegrated Inductors for a Bi-Directional Resonant Converter[J].IEEETransactions on Power Electronics，vol.34，no.7，pp.6123-6135，July 2019.”针对CLLC变换器提供了另一种思路，将变压器分为两个部分，这两部分的初级绕组和次级绕组成对称关系，利用磁芯中柱对磁路进行解耦，降低初级绕组、次级绕组的耦合程度，从而实现两个漏感的集成，这种方法可以实现对变压器励磁电感和漏感的控制，且初级和次级漏感大小相等。但是这种方法依赖于磁芯中柱进行解耦，磁芯利用率不高，而且磁芯中柱上的磁通很大，损耗较大，仍有进一步提升的空间。
发明内容
发明目的：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电感和变压器磁集成结构，既能将一个变压器和两个电感集成在一个磁芯中，又方便控制漏感，实现不同励磁电感、漏感比，同时还能优化磁通分布，降低磁滞损耗，大大减小功率变换器磁件的体积，提高功率密度。
技术方案：
为实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
所述一种变压器和电感磁集成结构由磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成，其中，绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱分为A类和B类，A类磁柱共2X(X≥1)个，B类磁柱共2Y(Y≥1)个，没有绕制绕组的磁柱共有Z(≥1)个；每两个绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱共有X+Y对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反；A类X对磁柱里，互为一对的两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNA1(Np≥1，NA1≥1)，次级绕组匝数为NsNA2(Ns≥1，NA2≥1，NA1≠NA2)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNA2，次级绕组匝数为NsNA1；B类Y对磁柱里，互为一对的两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数相同，即两个磁柱初级绕组匝数均为NpNB1(NB1≥1)，次级绕组匝数均为NsNB1。
所述的Y对磁柱均匀分布在X对磁柱的两侧和/或中垂线上和/或中垂线两侧；所述Z个没有绕制绕组的磁柱均匀分布在(X+Y)对磁柱的中间和/或(X+Y)对磁柱的四周。
每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同；各对磁柱的截面积可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的截面积和绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱截面积可以相同，也可以不同。
每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同；各对磁柱的气隙长度可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱不留气隙。
绕组可采用平面型绕组和绕线式绕组。
本发明技术方案与既有技术方案的本质区别在于，通过引入多组磁柱，在一部分磁柱上绕制相同比例的初级绕组和次级绕组，在另一部分磁柱上分布绕制不同比例的初级绕组和次级绕组，降低初级绕组和次级绕组的耦合程度，达到集成变压器和电感的目的，同时还能实现任意的匝比以及任意的励磁电感、漏感比。
本发明具有如下有益效果：
(1)同时集成一个变压器和两个电感，可以大大减小了功率磁件的体积重量，提高变换器功率密度，特别适用于双向CLLC谐振变换器等各类利用变压器、电感进行高频、高效、高功率密度功率变换的应用场合；
(2)磁芯结构灵活配置，可以实现任意的变压器匝比和任意的励磁电感、漏感比；
(3)多个磁柱的引入，可以充分优化磁通路径，当相邻磁柱的磁通方向相反时，磁通可以相互抵消时，磁芯损耗最低，效率最高。
附图说明
附图1是现有双向CLLC谐振变换器原理图；
附图2是本发明的一种变压器和电感磁集成结构A类磁柱的初、次级绕组示意图；
附图3是本发明的一种变压器和电感磁集成结构B类磁柱的初、次级绕组示意图；
附图4是本发明的一种四磁柱变压器和电感正交磁集成结构示意图；
附图5是本发明的一种变压器和电感磁集成结构初级绕组示意图；
附图6是本发明的一种变压器和电感磁集成结构次级绕组示意图；
附图7是本发明的一种变压器和电感磁集成结构电路原理图；
附图8是本发明的一种四磁柱变压器和电感平行磁集成结构示意图；
附图9是本发明的一种带边柱的四磁柱变压器和电感磁集成结构示意图；
附图10是本发明的一种圆型变压器和电感磁集成结构示意图；
附图11是本发明的一种矩阵型变压器和电感磁集成结构示意图；
以上附图中的符号名称：Uin为输入侧直流电源电压，Uo为输出侧直流电源电压，Sp1、Sp2、Sp3、Sp4为初级开关管，Ss1、Ss2、Ss3、Ss4为次级开关管，Crp为初级谐振电容，Crs为次级谐振电容，Lrp为初级谐振电感，Lrs为次级谐振电感，T1、T2为变压器，Up为初级激励电压，Us为次级激励电压，ip为初级电流，is为次级电流，NpNA1、NpNA2分别为A类磁柱的第一磁柱和第二磁柱初级绕组匝数，NsNA2、NsNA1分别为A类磁柱的第一磁柱和第二磁柱次级绕组匝数，NpNB1、NsNB1分别为B类磁柱的第一磁柱和第二磁柱初级和次级绕组匝数。
具体实施方式
下附图1是现有的双向CLLC谐振变换器电路图，包含一个变压器和两个电感，为了减小体积，提高效率，本发明采用磁集成技术，把变压器和两个电感同时集成到一个磁芯中。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
附图2是一对A类磁柱的初级、次级绕组示意图，两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNA1(Np≥1，NA1≥1)，次级绕组匝数为NsNA2(Ns≥1，NA2≥1，NA1≠NA2)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNA2，次级绕组匝数为NsNA1；每个磁柱截面积相同；每个磁柱形状相同；每个磁柱气隙长度相同；则初级绕组和次级绕组匝数的比值为Np/Ns；初级绕组和次级绕组均存在漏感，初级绕组漏感和次级绕组漏感的比值为Np 2/Ns 2。
附图3是一对B类磁柱的初级、次级绕组示意图，两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数相同，即两个磁柱初级绕组匝数均为NpNB1(NB1≥1)，次级绕组匝数均为NsNB1；每个磁柱截面积相同；每个磁柱形状相同；每个磁柱气隙长度相同；则初级绕组和次级绕组匝数的比值为Np/Ns。
下面以图4所示的一种四个绕线磁柱的变压器电感混合磁集成结构为例，说明本发明的工作原理。其由一副磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成；1号、3号磁柱为A类磁柱，2号、4号磁柱为B类磁柱，5号磁柱为非绕线磁柱；A类和B类磁柱分别在各自的中垂线上，非绕线柱在四个绕线柱中间；四个绕线磁柱截面积相同，气隙相同；1号磁柱到4号磁柱上初级绕组Np匝数依次为4匝、2匝、2匝、2匝，1号、4号磁柱初级绕组均按顺时针方向绕制，2号和3号磁柱初级绕组按逆时针方向绕制，初级绕组的磁通分布如图5所示；1号磁柱到4号磁柱上次级绕组匝数依次为2匝、2匝、4匝、2匝，1号、4号磁柱次级绕组均按逆时针方向绕制，2号和3号磁柱初级绕组按顺时针方向绕制，次级绕组的磁通分布如图6所示；图中符号“×”表示磁通方向为由外而内，符号“·”表示磁通方向由内而外，符号的数量表示磁通的大小，符号“*”表示同名端；按照这种方法绕制出来的变压器匝比为1∶1，初级绕组和次级绕组的漏感大小相同。
附图7为该磁集成结构的等效电路，1号、3号、5号磁柱及相应的原副边绕组构成了变压器T1、初级绕组漏感Lrp和次级绕组漏感Lrs，2号、4号磁柱及相应的原副边绕组构成了变压器T2。
按照这种方法绕制出来的变压器电感混合磁集成结构可以实现任意的变压器匝比和任意的励磁电感、漏感比；磁芯整体的磁通分布较为均匀，同时结构对称，2、4号磁柱和1、3号磁柱相互解耦。
本发明所涉及的磁芯结构不限于图4所示的结构，还可以是图8所示A类磁柱和B类磁柱平行放置的磁芯结构、图9所示周围增加不带气隙的边柱的磁芯结构、图10所示的圆型磁芯结构、图11所示的矩阵式磁芯结构，以及其他任意结构；而且构成一对基本单元的两个磁柱不必放置在一起，绕组排列方式、连接顺序可以任意更改，但应以优化磁场分布、降低损耗为目的。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种变压器和电感混合磁集成结构，其特征在于：所述一种变压器和电感混合磁集成结构由磁芯、初级绕组、次级绕组构成，其中，绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱分为A类和B类，A类磁柱共2X(X≥1)个，B类磁柱共2Y(Y≥1)个，没有绕制绕组的磁柱共有Z(≥1)个；每两个绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱共有X+Y对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反；A类X对磁柱里，互为一对的两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNA1(Np≥1，NA1≥1)，次级绕组匝数为NsNA2(Ns≥1，NA2≥1，NA1≠NA2)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNA2，次级绕组匝数为NsNA1；B类Y对磁柱里，互为一对的两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数相同，即两个磁柱初级绕组匝数均为NpNB1(NB1≥1)，次级绕组匝数均为NsNB1。
2.根据权利要求1所述的一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：所述的Y对磁柱均匀分布在X对磁柱的两侧和/或中垂线上和/或中垂线两侧；所述Z个没有绕制绕组的磁柱均匀分布在(X+Y)对磁柱的中间和/或(X+Y)对磁柱的四周。
3.根据权利要求1所述的一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同；各对磁柱的截面积可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的截面积和绕有部分初级绕组和部分次级绕组的磁柱的截面积可以相同，也可以不同。
4.根据权利要求1所述的一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同；各对磁柱的气隙长度可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱不留气隙。
5.根据权利要求1所述一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：绕组可采用平面型绕组和绕线式绕组。
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