CN113066643A - 一种变压器与电感集成结构 - Google Patents

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CN113066643A CN202110305071.2A CN202110305071A CN113066643A CN 113066643 A CN113066643 A CN 113066643A CN 202110305071 A CN202110305071 A CN 202110305071A CN 113066643 A CN113066643 A CN 113066643A
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陈武
曹桢愷
贺宇航
史明明
刘瑞煌
袁宇波
杨景刚
张宸宇
葛雪峰
姜云龙
缪惠宇
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Abstract

本发明公开了一种变压器与电感集成结构，属于电力电子技术领域。一种变压器与电感集成结构，包括：矩形类磁芯；两个对称布置的拼接磁芯，均与所述矩形类磁芯呈正交布置；分别绕在两个所述拼接磁芯上、且绕制方向相反的两个电感绕组；分别绕在所述矩形类磁芯的两个侧柱上、且绕制方向相反的两个原边绕组；以及分别绕在所述矩形类磁芯的两个侧柱上、且绕制方向相反的两个副边绕组；其中，所述原边绕组同心包绕在所述副边绕组的外侧。

Description

一种变压器与电感集成结构
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种变压器与电感集成结构。
背景技术
随着材料科学的发展，以SiC和GaN为主的高速开关器件、以及铁基纳米晶等低损耗磁性材料被广泛应用于开关电源中，高频化、集成化和低损耗化已经成为开关电源的发展趋势。事实表明提升开关频率能减小设备体积，提升功率密度。双有源变换器由于利用无源器件最少，具有宽输入输出范围，易实现软开关，结构对称方便模块化等，在大功率隔离型双向DC-DC变换器中占据着非常重要的地位。在如今的直流配电网中，大功率电力电子变压器对集成化的要求也更加迫切，其中高频变压器与电感这类磁性元件常常占据整个系统很大一部分的重量和体积，因此磁元件的磁集成技术成为电力电子领域的一个非常重要的研究热点。磁集成前后系统的损耗特性，同样也将成为一个磁集成方案必须要考虑的方面。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种变压器与电感集成结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种变压器与电感集成结构，包括：
矩形类磁芯；
两个对称布置的拼接磁芯，均与所述矩形类磁芯呈正交布置；
分别绕在两个所述拼接磁芯上、且绕制方向相反的两个电感绕组；
分别绕在所述矩形类磁芯的两个侧柱上、且绕制方向相反的两个原边绕组；以及
分别绕在所述矩形类磁芯的两个侧柱上、且绕制方向相反的两个副边绕组；
其中，所述原边绕组同心包绕在所述副边绕组的外侧。
可选地，所述原边绕组的绕组匝数之比、副边绕组的绕组匝数之比以及电感绕组匝数之比，分别与其对应磁路总的磁阻大小成反比。
可选地，所述矩形类磁芯中间插入的气隙。
可选地，两个所述拼接磁芯与所述矩形类磁芯之间均插入气隙。
可选地，通过所述变压器绕组和功率电感绕组相互正交解耦。
可选地，所述矩形类磁芯为纳米晶矩形磁芯、切割纳米晶矩形磁芯或UU型铁氧体磁芯。
可选地，拼接磁芯为采用I型铁氧体磁芯、UU型铁氧体磁芯或切割纳米晶矩形磁芯。
可选地，所述的绕组构造为卷绕式绕组和/或平面式绕组。
可选地，两个所述拼接磁芯与所述矩形类磁芯之间插入的气隙宽度相等。
以及，上述的变压器与电感集成结构在双有源变换器中的应用。
本发明的有益效果：
通过布置两条正交的磁通路径，对高频变压器绕组和电感绕组实现相互之间的磁路解耦，在电气参数上实现解耦的基础上，在磁路上也将二者磁通路径完全分开，达到降低磁芯损耗的目的，同时可以在不同电路拓扑应用场景下对高频变压器的励磁电感与集成功率电感进行单独设计，设计过程简单。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为现有技术中的双有源变换器的电路原理图
图2为本申请的示例中的变压器与电感集成结构及其接线方式示意图；
图3为本申请的示例中的磁路建模示意图；
图4为本申请的示例中的磁通分布图；
图5为本申请的示例中的仅有高频变压器原副边绕组产生激励时的磁通分布剖面仿真结果图；
图6为本申请的示例中的仅有电感绕组产生激励时的磁通分布剖面仿真结果图；
图7为本申请的示例中的采用矩形纳米晶切割磁芯作为两个对称拼接磁芯的变压器与电感集成结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的一些示例中，如图2所示，公开了一种变压器与电感集成结构，所述磁集成结构由矩形类磁芯、两个对称拼接磁芯、电感第一绕组NL1、电感第二绕组NL2、原边第一绕组Np1、原边第二绕组Np2、副边第一绕组Ns1、副边第二绕组Ns2组成；所述电感第一绕组NL1绕在前侧拼接磁芯Ⅲ上，所述电感第二绕组NL2绕在后侧拼接磁芯Ⅳ上，所述原边第一绕组Np1绕在矩形类磁芯侧柱Ⅰ上，所述原边第二绕组Np2绕在矩形类磁芯侧柱Ⅱ上，所述副边第一绕组Ns1绕在矩形类磁芯侧柱Ⅰ上，所述副边第二绕组Ns2绕在矩形类磁芯侧柱Ⅱ上；所述两个拼接磁芯同矩形类磁芯之间设有气隙。
所述变压器与电感集成结构中电感第一绕组NL1同电感第二绕组NL2绕制方向相反，原边第一绕组Np1同原边第二绕组Np2绕制方向相反，副边第一绕组Ns1同副边第二绕组Ns2绕制方向相反，原边第一绕组Np1同心包绕在副边第一绕组Ns1的外侧，原边第二绕组Np2同心包绕在副边第二绕组Ns2的外侧，两个拼接磁芯同矩形类磁芯成正交布置。
所述变压器与电感集成结构中绕制在矩形类磁芯侧柱Ⅰ和Ⅱ上的原边第一绕组Np1和原边第二绕组Np2的绕组匝数可以相同也可以不同；绕制在矩形类磁芯侧柱Ⅰ和Ⅱ上的副边第一绕组Ns1和副边第二绕组Ns2的绕组匝数可以相同也可以不同；绕制在两个拼接磁芯Ⅲ和Ⅳ上的电感第一绕组NL1和电感第二绕组NL2的绕组匝数可以配置为相同。
所述变压器与电感集成结构中两个对称拼接磁芯与矩形类磁芯之间插入的气隙宽度可以配置为相等。
绕制在矩形类磁芯侧柱Ⅰ和Ⅱ上的原边第一绕组Np1和原边第二绕组Np2的绕组匝数之比、副边第一绕组Ns1和副边第二绕组Ns2的绕组匝数之比以及绕制在两个拼接磁芯Ⅲ和Ⅳ上的电感第一绕组NL1和电感第二绕组NL2之比，分别与其对应磁路总的磁阻大小成反比。
矩形类磁芯中间插入的气隙dg用来调节高频变压器中励磁电感的大小，两个拼接磁芯与矩形类磁芯之间插入的气隙dg1和dg2用来调节集成结构中功率电感的大小。
所述变压器与电感集成结构中通过变压器绕组和功率电感绕组相互正交解耦，达到变压器磁通路径与电感磁通路径完全分开的目的。
所述变压器与电感集成结构中矩形类磁芯可采用纳米晶矩形磁芯、切割纳米晶矩形磁芯、UU型铁氧体磁芯等，两个对称拼接磁芯可采用铁氧体I型磁芯、铁氧体拼接磁芯、切割纳米晶矩形磁芯等；绕组可采用卷绕式绕组和平面式绕组。
所述变压器与电感集成结构可以采用两种解耦模式，如式(1)可见，矩形类磁芯侧柱Ⅰ和Ⅱ上所绕制的原边第一第二绕组以及副边第一第二绕组的匝数比必须满足式(1)的第一个表达式，且保证两个拼接磁芯Ⅲ和Ⅳ上所绕制的电感第一第二绕组的匝数比必须满足式(1)第二个表达式，以确保高频变压器绕组与电感绕组的磁通路径完全分开，且损耗最小。
Figure BDA0002981012630000051
式中，
Figure BDA0002981012630000052
和
Figure BDA0002981012630000053
分别表示所述变压器与电感集成结构中的四条磁路的总磁阻的大小。
所述变压器与电感集成结构可分别利用式(2)和式(3)计算高频变压器励磁电感和集成功率电感的电感值。
Figure BDA0002981012630000054
Figure BDA0002981012630000055
所述变压器与电感集成结构中高频变压器的磁通沿着矩形类磁芯的磁芯柱流通，功率电感的磁通沿着两个拼接磁芯Ⅲ和Ⅳ、中间分隔气道以及与矩形类磁芯相交叠部分所组成的封闭路径流通。高频变压器与功率电感的磁通相互正交，互相解耦，两者之间无耦合关系。
所述磁集成结构的一种磁路建模方法如图3所示，将矩形类磁芯的磁芯侧柱Ⅰ和Ⅱ、前后拼接磁芯Ⅲ和Ⅳ分别表示为四条并联的磁路，并在两部分磁芯的交叠部分进行连接，同时考虑四条磁通路径上的高频变压器绕组磁动势、电感磁动势以及各部分磁阻得到最终的四磁路模型。
如图4所示，所述磁集成结构中的磁通分布可以分为完全正交的两条路径，其中高频变压器的磁通路径为φ1所在的环形路径，功率电感的磁通路径为φ2所在的环形路径，两者相互正交解耦。现有的双有源变换器的电路拓扑如图1所示，在本发明的一些示例中，可以将上述的变压器与电感集成结构应用于双有源变换器中，原边全桥出口接400V直流电源，副边全桥出口接电子负载，功率传输能力为6kW，通过对所述磁集成结构的仿真验证其解耦能力。实例主要参数要求如表1所示。
表1实例双有源变换器主要参数要求
Figure BDA0002981012630000061
对应上述示例，所设计的本发明的上述示例的变压器与电感集成结构的仿真样机参数如表2所示：
表2实例对应的集成结构样机参数
Figure BDA0002981012630000062
本示例仿真在ANSYS Maxwell的静磁场中进行，在仅有高频变压器原副边绕组产生激励时的磁通分布剖面仿真结果图如图5所示，此时所述磁集成结构中磁通集中在矩形类磁芯侧柱，而在两个对称拼接磁芯中几乎没有磁通分布，且最后仿真结果变压器磁路近似成环形分布，说明本实例已实现变压器绕组对电感绕组的磁路解耦；在仅有电感绕组产生激励时的磁通分布仿真结果图如图6所示，电感绕组的磁通集中在两个拼接磁芯中，在矩形类磁芯的两侧柱中几乎没有分布，且最后仿真结果中电感磁路近似成环形分布，说明本实例已实现电感绕组对变压器绕组的磁路解耦。
针对表1所示参数要求的双有源变换器设计常规的分立磁件(高频变压器与分立电感)，其中高频变压器的磁芯结构采用此实例表2所对应集成结构的矩形类磁芯，原副边绕组匝数与分布情况和表2所对应集成结构相同；电感的磁芯结构采用铁氧体的EE70B磁芯，电感绕组匝数定为10匝并绕制与EE磁芯中柱上，两半EE磁芯之间三个磁芯柱开气隙均为0.45mm。
最终基于表1所示参数要求的双有源变换器实验平台，测试得采用本发明的满载整机效率为96.42％，相较于所设计分立磁件方案的满载整机效率96.36％基本持平，说明本发明并不会导致集成后磁件的损耗的增加，并且功率密度达到7.05kW/L，较所设计分立磁件的6.28kW/L有较大的提升，且此处所指功率密度均以磁件所占长方体空间计算，验证了本发明的优越性。在大功率场合可采用图7所示的矩形纳米晶切割磁芯作为拼接磁芯，布置形式同图2与矩形类磁芯相正交，集成结构的绕组接线方式也同图2一样。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种变压器与电感集成结构，其特征在于，包括：
矩形类磁芯；
两个对称布置的拼接磁芯，均与所述矩形类磁芯呈正交布置；
分别绕在两个所述拼接磁芯上、且绕制方向相反的两个电感绕组；
分别绕在所述矩形类磁芯的两个侧柱上、且绕制方向相反的两个原边绕组；以及
分别绕在所述矩形类磁芯的两个侧柱上、且绕制方向相反的两个副边绕组；
其中，所述原边绕组同心包绕在所述副边绕组的外侧。
2.根据权利要求1所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，所述原边绕组的绕组匝数之比、副边绕组的绕组匝数之比以及电感绕组匝数之比，分别与其对应磁路总的磁阻大小成反比。
3.根据权利要求1所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，所述矩形类磁芯中间插入的气隙。
4.根据权利要求1所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，两个所述拼接磁芯与所述矩形类磁芯之间均插入的气隙。
5.根据权利要求1所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，通过所述变压器绕组和功率电感绕组相互正交解耦。
6.根据权利要求1所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，所述矩形类磁芯为纳米晶矩形磁芯、切割纳米晶矩形磁芯或UU型铁氧体磁芯。
7.根据权利要求1所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，拼接磁芯为采用I型铁氧体磁芯、UU型铁氧体磁芯或切割纳米晶矩形磁芯。
8.根据权利要求1所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，所述的绕组构造为卷绕式绕组和/或平面式绕组。
9.根据权利要求4所述的变压器与电感集成结构，其特征在于，两个所述拼接磁芯与所述矩形类磁芯之间插入的气隙宽度相等。
10.权利要求1～9所述的变压器与电感集成结构在双有源变换器中的应用。
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