CN113795898A - 多相开关调节器 - Google Patents

多相开关调节器 Download PDF

Info

Publication number
CN113795898A
CN113795898A CN202080031839.5A CN202080031839A CN113795898A CN 113795898 A CN113795898 A CN 113795898A CN 202080031839 A CN202080031839 A CN 202080031839A CN 113795898 A CN113795898 A CN 113795898A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
winding
magnetic
switching
magnetic core
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080031839.5A
Other languages
English (en)
Inventor
沃利·E·里佩尔
埃里克·E·里佩尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ennuel Co ltd
Original Assignee
Ennuel Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ennuel Co ltd filed Critical Ennuel Co ltd
Publication of CN113795898A publication Critical patent/CN113795898A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/30—Fastening or clamping coils, windings, or parts thereof together; Fastening or mounting coils or windings on core, casing, or other support
    • H01F27/306—Fastening or mounting coils or windings on core, casing or other support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/16—Magnetic circuit arrangements
    • H01H50/163—Details concerning air-gaps, e.g. anti-remanence, damping, anti-corrosion
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0074—Plural converter units whose inputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

公开了一种开关调节器，其包括高电压端口、低电压端口、n个开关极、磁性元件和控制器。进而，每个开关极跨高电压端口连接，并且可以由一个开关和一个二极管或者两个开关和两个二极管组成。进而，磁性元件包括具有n个磁性分支的铁磁芯，每个磁性分支包括绕组。每个绕组起点连接至相应开关极的相节点，而每个绕组终点共同连接至低电压端口的一侧。第n+1个磁性分支建立限定的共模电感，该共模电感与变压器作用相结合，从而限制电流波纹。变压器作用用于在相之间交换纹波电力，从而大大减少对电感的需求。

Description

多相开关调节器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月27日提交的题为“POLYPHASE SWITCHING REGULATOR”的美国临时申请第62/824,931号的优先权和权益，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
根据本公开内容的实施方式的一个或更多个方面涉及调节器，并且更具体地涉及多相开关调节器。
背景技术
图1a示出了单相调节器。在接通时间期间，施加至高电压102的能量的一部分被转移至低电压端口116，而其余部分被存储在电感器195中。在关断时间期间，先前存储在电感器中的能量被转移至低电压端口116。在稳定状态下，输出电压等于输入电压的D倍，并且输出电流等于输入电流的1/D。
如图1b所示，电感器电流包括DC分量加上AC纹波分量。随着电感和开关频率的乘积增加，AC纹波电流减小。这进而意味着可以使用更小的输出电容器，并且减少电感器195内的AC损耗。不幸的是，电感器尺寸和DC导体损耗二者均随着电感而增加。此外，随着开关频率增加，开关极106内的开关损耗成比例地增加。因此，在电感器尺寸和DC损耗与AC损耗和电容器尺寸之间存在折衷。在一些实施方式中，折衷解决方案为rms纹波电流在额定DC电流的10％至20％之间的某处。如本文中所使用的，“开关极”是操作为单极双掷开关的电路元件。
如图2a所示，各个开关调节器可以并联连接以提供多相调节器103，该多相调节器103包括高电压端口102、高电压电容器104、开关极106-1至106-n、电感器195-1至195-n、低电压电容器114和低电压端口116。如图2b所示，n个开关极中的每一个的开关波形可以交错。
通过这种方法，施加至电容器104和114的纹波电流均由于AC电流谐波的抵消而显著减小。这使得两个电容器的尺寸显著减小。然而，与电感器195-1至195-n相关的总尺寸和质量仍然与单相调节器的总尺寸和质量相似。与单相相比，多相调节器具有各个开关电流减小的附加优点；在某些情况下，这有利于减少电磁干扰并减少与杂散电感相关的问题。在电流或电力水平相对较高的情况下以及电容器尺寸存在问题的情况下，多相开关调节器可能有意义。它们的缺点是增加了复杂性。
如图2c所示，通过将电感器195-1至195-n集成到单个单元中，可以改进和简化多相调节器概念。虽然这种概念有多个版本，但是本文所公开的版本与常规开关调节器相比显著降低了整体磁性元件尺寸、质量和绕组损耗。有了这个新的磁性元件，变压器作用和感应能量存储效应都被利用，使得与每个相相关的电流纹波与相应的通量密度摆动相比会较小。另外，磁性元件的设计可以使得对于绕组和铁磁芯都实现有效的热传递。
应当注意，类似于图1a的拓扑，图2a的拓扑能够根据对高侧半导体元件和低侧半导体元件的选择而实现降压、升压和降压-升压操作模式。例如，在高侧半导体元件108是半导体开关而低侧半导体元件110是二极管的情况下，启用降压模式操作，使得高电压端口102是输入并且低电压端口116是输出。在降压模式操作和升压模式操作中，电力流可以是单向的。在高侧半导体元件和低侧半导体元件均为半导体开关(带有反并联二极管)的情况下，启用降压-升压模式操作，并且DC电力可以在高电压端口与低电压端口之间双向传输。
在下文中，公开了一种新的概念，在该新的概念中，图2a的各个电感器被集成到单个单元中，使得变压器作用和能量存储都被利用，从而使得能够减小磁性元件尺寸、质量和DC损耗。
发明内容
根据本发明的实施方式，提供了一种具有第一输入导体、第二输入导体、第一输出导体和第二输出导体的电路，所述电路包括：第一开关极；第二开关极；以及磁性元件，所述磁性元件包括多个绕组，所述多个绕组包括连接至第一开关极的第一绕组和连接至第二开关极的第二绕组，第一绕组和第二绕组的互感是第一绕组的自感的至少50％。
在一些实施方式中，磁性元件包括至少部分地由固体材料构成的磁芯，所述磁芯具有至少两个插脚，所述至少两个插脚中的插脚延伸穿过第一绕组。
在一些实施方式中，磁芯具有间隙。
在一些实施方式中，穿过第一绕组的磁路延伸穿过间隙。
在一些实施方式中，穿过第一绕组的磁路不延伸穿过磁芯中的间隙。
在一些实施方式中，穿过第一绕组的磁路不穿过多个绕组中的任何其他绕组。
在一些实施方式中，磁芯由选自由磁性叠片、铁粉、铁氧体及其组合组成的组的材料构成。
在一些实施方式中，电路还包括与磁性元件串联连接的电感器。
在一些实施方式中，第一绕组是表面卷绕或边缘卷绕的单层绕组。
在一些实施方式中，第一绕组是多层的。
在一些实施方式中，电力流是单向的。
在一些实施方式中，电力流可以是双向的。
在一些实施方式中，电路包括高电压端口和低电压端口。
在一些实施方式中，电路包括跨高电压端口连接的电容器或跨低电压端口连接的电容器。
在一些实施方式中，每个开关极包括高侧半导体开关和低侧二极管。
在一些实施方式中，每个开关极包括低侧半导体开关和高侧二极管。
在一些实施方式中，每个开关极包括与二极管并联的高侧半导体开关以及与二极管并联的低侧半导体开关。
在一些实施方式中，电路包括多个开关极，所述多个开关极包括第一开关极和第二开关极，电路还包括控制电路，所述控制电路利用相应的控制波形来控制开关极，所述控制波形的占空比对称地间隔且相等。
在一些实施方式中，所有线圈具有相同的匝数。
在一些实施方式中：磁性元件包括磁芯，第一绕组与第一除热表面紧密贴合，并且磁芯的至少一部分与第二除热表面贴合。
在一些实施方式中，磁性元件还包括：在第一绕组与第一除热表面之间的导热材料，以及在磁芯的至少一部分与第二除热表面之间的导热材料。
在一些实施方式中，冷却剂被迫与至少一个绕组的至少一部分直接接触。
根据本发明的实施方式，提供了一种包括多个电路的多相逆变器。
在一些实施方式中，多相逆变器被配置成为电机或公用事业负载供电。
附图说明
参照说明书、权利要求以及附图将领会和理解本公开内容的这些和其他特征和优点，在附图中：
图1a示出了根据本公开内容的实施方式的通用DC到DC调节器的电力拓扑。
图1b示出了根据本公开内容的实施方式的与图1a相关联的极电压和电感器电流波形。
图2a是根据本公开内容的实施方式的n相通用DC到DC调节器。
图2b示出了根据本公开内容的实施方式的与图2a相关联的极电压。
图2c示出了根据本公开内容的实施方式的使用集成磁性元件的通用n相DC到DC调节器。
图2d示出了根据本公开内容的实施方式的使用集成磁性元件加上外部电感器的通用n相DC到DC调节器。
图2e是根据本公开内容的实施方式的针对每相使用图2a的调节器的三相逆变器。
图2f是连接至电机的逆变器的框图。
图3a是根据本公开内容的实施方式的可以在图2a的调节器中使用的n相磁性元件的第一实施方式的示意性表示。
图3b是根据本公开内容的实施方式的可以在图2a的调节器中使用的n相磁性元件的第二实施方式的示意性表示。
图3c是根据本公开内容的实施方式的可以在图2a的调节器中使用的n相磁性元件的第三实施方式的示意性表示。
图4是根据本公开内容的实施方式的图3b的磁性元件的六相版本的透视图。
图5示出了根据本公开内容的实施方式的与图4的磁性元件相关联的电压和电流波形，其中间隙g1是可忽略的。
图6示出了根据本公开内容的实施方式的与图4的磁性元件相关联的电压和电流波形，其中间隙g1是有限的。
图7是根据本公开内容的实施方式的包括多层导体的磁性元件的三相实施方式的透视图。
图8是根据本公开内容的实施方式的使用并联连接的线圈的磁性元件的三相液体冷却的实施方式的透视图。
图9是根据本公开内容的实施方式的使用螺旋线圈的磁性元件的三相液体冷却的实施方式的透视图。
图10是根据本公开内容的实施方式的在图8实施方式中使用的线圈的透视图。
图11是根据本公开内容的实施方式的在图9实施方式中使用的线圈的透视图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对根据本公开内容提供的多相开关调节器的示例性实施方式的描述，而不旨在表示可以构造或利用本公开内容的唯一形式。该描述结合所示的实施方式阐述了本公开内容的特征。然而，应当理解，相同或等同的功能和结构可以通过不同的实施方式来实现，所述不同的实施方式也旨在被包含在本公开内容的范围内。如本文中其他地方指示的，类似的附图标记旨在指示类似的元件或特征。
图1a和图1b是涉及单相通用开关调节器的背景，而图2a和图2b是涉及多相通用DC到DC调节器的背景。参照图1a，开关极106和高电压电容器104跨高电压端口102连接。磁性元件112连接在开关极106的相节点与低电压端口116的一侧之间。开关极106又由串联连接的高侧半导体元件108和低侧半导体元件110组成。在半导体元件108是半导体开关(例如，IGBT或MOSFET)并且器件110是二极管的情况下，降压模式操作是可能的，并且在端口102处施加的输入电压被“降压”到在端口116处作为输出提供的较低电压。在低侧半导体元件110是半导体开关并且高侧半导体元件108是二极管的情况下，升压模式操作是可能的，其中端口116是输入且端口102是输出。在半导体元件108和110均为带有反并联二极管的半导体开关的情况下，降压-升压模式操作是可能的。
在图2a的情况下，操作在所有情况下都类似于图1a的操作，不同之处在于：相对于单相，n个单独的相并联操作。由于建立了表现为电压源的并联路径，因此必须采取措施以确保DC电流分量保持平衡。这可以在各个相电流被感测并且相应的占空比被控制(例如，由如图2a至图2f所示的控制器193)的情况下实现，使得针对每个相实现期望电流。也可以通过保持各个占空比精确相等(大部分数字控制器193可以提供)来实现平衡。如图2b所示，通过对称地间隔各个占空比，可以在两个端口处实现最佳的电流谐波抵消。如图2b所示，占空比可以对称地间隔且相等。
如图2c所示，图2b的n个电感器可以由单个磁性元件112代替。对于磁性元件存在各种选择，从仅表示封装活动的情况到磁性拓扑被改变的情况。在图3a和图3b中，示出了新颖的磁性结构，由于存在除能量存储作用之外的变压器作用的事实，所述新颖的磁性结构使得磁性元件能够具有减小的尺寸和质量。这些结构中的每一个充当与串联电感结合的求和变压器。在图3a结构的情况下，通过添加为磁通量提供规定路径的磁芯插脚来增加漏电感。在图3b结构的情况下，串联电感可以完全由漏电感提供。在图3b的磁性元件中，对于每个绕组，存在穿过绕组的磁路，所述磁路不穿过任何其他绕组反而穿过辅助磁芯插脚之一例如穿过磁芯插脚122-a或磁芯插脚122-b。
与输出有效地串联连接的“纹波抑制电感”可以具有减小纹波的作用。该电感可以是磁性元件112的漏电感，或者它可以是(如下所述)与输出串联连接的单独电感器的电感。如果图2c所描述的磁性元件没有足够的漏电感来将纹波电流限制到期望值，则外部电感113可以连接在磁性元件112的公共总线和由与电容114并联的端口116a形成的节点之间(参见图2d)。
图2e示出了三个图2c的调节器被组合以形成三相逆变器的应用。每个调节器包含n个相。(由于调节器相的数目可能与逆变器相的数目混淆，调节器相被指定为“子相”，而术语“相”将应用于逆变器级。)端口102处的DC电力与AC端口116处的AC电力以类似于常规三相逆变器的方式进行交换。图2e的方案与常规逆变器相比其优点在于：几乎可以消除AC端口开关纹波，同时保持低质量和高能量效率。在电机诸如感应、永磁或磁阻机器191被驱动(参见图2f)的情况下，新的逆变器可以减少机器损耗，使得提高机器额定功率和机器效率两者。此外，通过消除高频开关分量，绕组电容不再影响机器效率。这进而允许如下系统设计，在该系统设计中系统电压和绕组电容两者在不会对系统效率产生通常影响的情况下可以相对较高。
DC总线电容器104可以组合成单个单元。在子相的数目较大(例如，6个)的情况下，可以删除AC端口电容器114而不会显著影响损耗和效率。图2e的方案可以应用于单相逆变(其中仅使用两个调节器)；它还可以应用于具有大于三相的系统以及应用于驱动多个负载的系统。图2f是连接至电机191的逆变器的框图。
图3a是代替图2a的n个电感器的n相磁性元件的第一实施方式的示意性表示105。磁芯包括n个相插脚120-1至120-n，其具有相应的线圈124-1至124-n，每个线圈包括m个匝，并且每个插脚具有如所示的有效间隙g1。外插脚122-a和122-b在磁芯的端部处提供两个平行的通量返回路径；每个外插脚具有如所示的间隙g2。磁路由磁芯元件126和128完成。磁芯插脚122-a和122-b可以由单个插脚代替；出于对称性和最小化的总磁芯质量的原因，选择两个插脚。
当应用于图2a的拓扑时，每个绕组起点具有幅值为Vin、持续时间为D＊T和频率为1/T的脉冲电压。n个相电压对称地间隔，使得在时间0、T/n、2*T/n、…、(n-1)*T/n发生正跳变，其中D为占空比(D的范围在0至1之间)。每个绕组终点连接至节点116a。在稳定状态下，端口116处的电压等于端口102处的电压乘以D。
排除与磁芯插脚122-a和122-b相关联的磁效应，图3a的结构用作其中通过插脚120-1至120-n的磁通量之和为零的变压器。这进而意味着跨绕组124-1至124-n的瞬时电压之和也必须为零，这进而意味着AC电力在各个相之间交换。当应用于图2a的拓扑时，图3a的结构用作求平均装置。AC纹波电压的幅值减少到n分之一，而纹波频率增加到n倍。如此，限制电流纹波所需的电感减少到n2分之一。
可以看出，图3a的磁性元件等效于与电感串联连接的“求平均变压器”。变压器求和节点电压进而等于施加至绕组起点的电压(每个电压都参照接地)的瞬时平均值。这样，可以进一步看出变压器输出电压(参考接地)具有等于Vin＊D的DC分量和频率为n/T的AC峰到峰脉冲分量Vin/n。该AC分量的占空比D′被给出为D′＝n＊D-{n＊D}，其中{n＊D}指定小于或等于n＊D的最大整数。当D’为零时，开关纹波电流接近零，而当D’为0.5时，开关纹波电流最大。因此，对于一般n相情况，随着D接近0和1，纹波电流变为零，而对于D＝1/n、2/n、…、(n-1)/n的其他n-1种情况，纹波电流也接近零。同样，对于D＝1/(2*n)、3/(2＊n)、…、(2*n-1)/(2＊n)的n-1种情况，纹波电流达到最大值。在这些最坏情况点处，施加至串联电感的伏秒为Yin＊T/(4＊n2)。
与任何变压器一样，绕组DC电压分量可以足够小，使得不会发生磁芯饱和，并且为此，N个开关极占空比中的每一个可以精确地彼此匹配。在许多情况下，如果n个信号是数字生成的，则这可以在开环的基础上实现。在存在磁芯间隙g1的情况下，可以反馈调整占空比，因为第j磁芯插脚的通量密度可以被观察为第j相电流与所有n相的平均电流之间的加权差(参见图6)。该信息可以用于调整相应的占空比以使得磁芯元件不饱和。这种方法解决了诸如栅极驱动器和电力装置偏移时间的问题。
与图3a的磁性元件相关联的附加串联电感(以微亨利为单位的LS)近似为
LS＝2.52＊Nt 2＊A2/(n2＊g2) (1)
其中，Nt是磁芯插脚120-1至120-n中的每一个的匝数，A2是两个外插脚122-a和122-b的截面积(以m2为单位)，并且g2是与两个外插脚122-a和122-b相关联的间隙(m)。总纹波电流的峰值Ip等于0.5倍伏秒除以以亨利为单位的电感。因此，
Ip＝49,600＊Vin＊T＊(g2/A2)/nt 2 (2)
根据等式(2)，应注意，纹波电流与相数无关。这是由于如下事实：当n增加时，AC伏秒和电感下降得同样快。还应注意，纹波电流随着g2/A2的减小而下降。
当g2/A2减小时，对于铁磁芯的所有部分，通量密度的DC分量增加。这针对g2/A2设置了下限，g2/A2由以下提供：
g2/A2＝2.51＊(E-6)＊nt＊IDC/n2＊/A1/BiDC， (3)
其中，IDC是总DC电流(n相之和)，并且BjDC是任何磁芯插脚内的通量密度的DC分量(所有n具有相同的值)。在一些实施方式中，BjDC被选择为大约磁芯饱和通量密度的四分之一。
等式3表明：随着DC电流增加，g2可以增加以防止磁饱和。进而，稳态DC电流受到磁性元件中所使用的材料的热传递和温度额定值的限制。当热传递改善时，最大允许的DC电流增加，这进而意味着g2可以增加。在某一点处，g2变得等于h(窗高度)，并且图3a的结构可以被简化为图3b的结构，在图3b的结构中去除了磁芯插脚122-a和122-b。
对于图3a和图3b的配置两者，可以增加磁芯间隙g1。随着间隙g1增加，纹波电流幅值将增加，而对DC电流不平衡的通量饱和敏感度降低。在许多情况下，g1应当被设置为零，因为DC电流不平衡本质上很小。磁芯间隙可以放置在插脚(g1)内，如图3a和图3b所示，或者它们可以放置在磁芯的水平元件(gx)内，或者放置在两个位置内(参见图3c)。在水平磁芯元件内定位间隙的一个优点是几乎消除了进入绕组的边缘通量，从而减少了绕组涡流损耗。第二个优点是各个间隙可以呈现相互不同的值，这在某些情况下可以提供益处。磁芯半体126和128可以被设计为相同的形状，或者它们可以被设计为不同的形状。
图4示出了作为图3b和图3c的概念的六相实施方式的磁性元件109。对于图4的实施方式，六插脚铁磁芯132与六个单层绕组134接合。电绝缘间隔件136同轴地放置在每个磁芯插脚与相应的绕组之间，使得在两者之间不会发生电击穿。绕组-磁芯组件由封装外壳138容纳。封装外壳138的内表面140的第一部分与绕组134的外表面部分紧密贴合，使得在组装时在两者之间形成小间隙。同样，外壳138的第二内表面142与铁磁芯132的外表面的部分紧密贴合，使得在组装时在两者之间形成小间隙。绕组-外壳间隙和磁芯-外壳间隙两者可以用导热封装材料填充，使得对于绕组和铁磁芯两者实现有效的热传递。在大多数情况下，热传递足够高以使绕组电流密度超过2000A/cm2。应当注意，可以使用两个或更多个相；随着相的数目的增加，纹波电流逐渐减小。在使用低数目的相的情况下以及在电流密度低的情况下，漏电感可能不足以将电流纹波限制到期望值。在这样的情况下，可能需要添加与磁性元件串联的外部电感以充分限制纹波电流(参见图2d)。
绕组可以由矩形截面的铜或铝导体材料形成，尽管在某些情况下可以使用圆形导体。根据设计要求，绕组可以是边缘卷绕的或表面卷绕的。绕组起点144连接至图2a的拓扑的相节点，并且绕组终点146接合在一起形成端口116的节点116a(参见图2a)。
图5示出了图4的元件的三相版本应用于图2a的拓扑的情况下的电波形，其中间隙g1可忽略，并且其中占空比为0.50。(所有电压波形参考接地。)由于变压器作用，所有三个相电流平衡并因此相等。纹波频率为3f(开关极频率的三倍)，并且纹波幅值与平均电压(相1、2和3的平均值)的幅值除以电感和频率的乘积成比例。电感又与每相匝数乘以与漏通量相关联的面积除以与漏通量相关联的间隙的平方成比例。通过控制纵横比，可以根据需要控制电感。(在大多数情况下，电感应当使得rms纹波电流不大于额定DC电流的10％至20％。)
当增加间隙g1时，如图6所示改变波形。随着g1增加，1f纹波电流分量逐渐添加到每相电流。可以通过减去与其他n-1相的总和成比例的信号来隔离这个添加的电流信号。然后其余信号可以用作第j相的瞬时通量密度的度量。n个这样的信号中的每个信号可以施加至控制器193(如图2a和图2c看到的)，以使得每个插脚内的峰值通量密度保持相等，这进而用于防止磁芯的任何部分内的磁饱和。
图7是包括多层导体的磁性元件111的三相实施方式的透视图。磁性元件包括线圈134、公共磁芯132、绕组间隔件136。线圈134又可以由多层导体145构成；每个线圈具有线圈起点144和线圈终点146。磁芯132可以由烧结粉末诸如铁粉或铁氧体构成。
通过使用多个导体层来形成每个线圈，可以满足两个目标——减少高频涡流损耗和改善绕组易用性。为了使涡流损耗减少最大化，可以在每个线圈的中心点处包括换位(未示出)。通过使用多层导体，由于材料拉伸和变形减小，所以在某些情况下可以更容易地实现线圈制造；在某些情况下，这也可以改进封装系数。可以包括类似于图4的封装外壳，从而实现有效的热传递。
图8是使用并联连接的多个线圈来提供绕组的磁性元件113的三相液体冷却的实施方式的透视图。应当注意，图8的结构在磁性上与图3b的结构一致。磁性元件包括磁芯132和轴向堆叠的线圈156a和156b以形成有源结构。磁芯132是三插脚的并且可以由两个相同的“E”构件制成。如上所讨论的，可以在磁芯半体之间包括间隙，使得每个磁芯插脚内的通量估计成为可能。可替选地，可以通过使用具有降低的渗透性的磁芯材料来实现相同的结果。
面绕线圈156a和156b可以串联连接，如图10所示，以形成线圈组156。两个线圈之间的互连可以通过“S”弯曲部184来实现。进而，线圈组可以串联或并联连接以实现期望的电气参数。通过使用在I.D.处互连的线圈对，线圈起点180和线圈终点182都在O.D.处，这实现有效的电气端接。
相邻线圈156a和156b由电绝缘分离件158隔开。分离件158用于在相邻线圈之间提供增强的绝缘，同时建立薄的轴向间隙，这进而允许液体冷却剂流过每个线圈表面。轴向间隙由肋160建立，肋160是间隔件表面的整体特征。
馈送板162用于将冷却剂引入到磁芯132与线圈对156之间的环形间隙(未示出)中。端板164用于由轴向夹紧由线圈、间隔件和馈送板组成的叠层。磁芯132的轴向压缩由带174提供。电气端接由包括端接条170和端接柱172的端接结构168提供。
图9是磁性元件115的三相液体冷却的实施方式的透视图，所述磁性元件115与图3b的磁性元件一致，并且包括磁芯132、螺旋线圈117(参见图11)、馈送板162和歧管176。线圈117的相邻匝(参见图11)由间隔件181隔开，使得形成精确的间隙183。由馈送板162(参见图9)接纳的冷却剂经由歧管176被引导以在线圈117与磁芯之间的环形间隙内流动，使得冷却剂然后径向向外流动通过间隙183(参见图11)。应当注意，图9的实施方式在电磁上与图3b的布置一致。
各个绕组117包括绕组起点119和绕组终点121，每个绕组起点119和绕组终点121经由端接元件168(参见图9)端接，所述端接元件168又包括电气互连的端接条170和端接柱172。带174在压缩下将各个元件保持在一起。
本文中描述的开关调节器的一些实施方式可以提供与DC电力处理相关联的降压、升压和降压-升压功能。本文中描述的开关调节器的一些实施方式可以用作常规方波逆变器(例如，多相方波逆变器)中的开关极的替代，并且这样的替代可以具有产生平滑输出波形(或者一个或多个平滑输出波形)而不是一个或更多个方波的效果。本文中描述的开关调节器的一些实施方式还可以代替与多相逆变器相关联的各个极，例如用于电机驱动、太阳能逆变器等的那些极。
如本文所用，词语“或”是包含性的，因此，例如，“A或B”是指(i)A、(ii)B以及(iii)A和B中的任一个。
本文所述的任何数值范围旨在包括所述范围内包含的相同数值精度的所有子范围。例如，“1.0至10.0”或“1.0至10.0之间”的范围旨在包括所述的最小值1.0与所述的最大值10.0之间(并包括1.0和10.0)的所有子范围，即，具有等于或大于1.0的最小值以及等于或小于10.0的最大值，例如2.4至7.6。本文所述的任何最大数值限制旨在包括其中包含的所有较低数值限制，并且本说明书中所述的任何最小数值限制旨在包括其中包含的所有较高数值限制。
尽管在本文中已经具体描述和示出了多相开关调节器的示例性实施方式，但是对于本领域技术人员而言许多修改和变化将是明显的。因此，应当理解，根据本公开内容的原理构造的多相开关调节器可以以不同于本文具体描述的方式实施。本发明还在所附权利要求及其等同物中限定。

Claims (24)

1.一种具有第一输入导体、第二输入导体、第一输出导体和第二输出导体的电路，所述电路包括：
第一开关极；
第二开关极；以及
磁性元件，
所述磁性元件包括多个绕组，所述多个绕组包括连接至所述第一开关极的第一绕组和连接至所述第二开关极的第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组的互感是所述第一绕组的自感的至少50％。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述磁性元件包括至少部分地由固体材料构成的磁芯，所述磁芯具有至少两个插脚，所述至少两个插脚中的插脚延伸穿过所述第一绕组。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述磁芯具有间隙。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，穿过所述第一绕组的磁路延伸穿过所述间隙。
5.根据权利要求2所述的电路，其中，穿过所述第一绕组的磁路不延伸穿过所述磁芯中的间隙。
6.根据权利要求2所述的电路，其中，穿过所述第一绕组的磁路不穿过所述多个绕组中的任何其他绕组。
7.根据权利要求2所述的电路，其中，所述磁芯由选自由磁性叠片、铁粉、铁氧体及其组合组成的组的材料构成。
8.根据权利要求1所述的电路，还包括与所述磁性元件串联连接的电感器。
9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一绕组是表面卷绕或边缘卷绕的单层绕组。
10.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一绕组是多层的。
11.根据权利要求1所述的电路，其中，电力流是单向的。
12.根据权利要求1所述的电路，其中，电力流能够是双向的。
13.根据权利要求1所述的电路，包括高电压端口和低电压端口。
14.根据权利要求13所述的电路，包括跨所述高电压端口连接的电容器或跨所述低电压端口连接的电容器。
15.根据权利要求1所述的电路，其中，每个开关极包括高侧半导体开关和低侧二极管。
16.根据权利要求1所述的电路，其中，每个开关极包括低侧半导体开关和高侧二极管。
17.根据权利要求1所述的电路，其中，每个开关极包括与二极管并联的高侧半导体开关以及与二极管并联的低侧半导体开关。
18.根据权利要求1所述的电路，包括多个开关极，所述多个开关极包括所述第一开关极和所述第二开关极，所述电路还包括控制电路，所述控制电路利用相应的控制波形来控制所述开关极，所述控制波形的占空比对称地间隔且相等。
19.根据权利要求1所述的电路，其中，所有线圈具有相同的匝数。
20.根据权利要求19所述的电路，其中：
所述磁性元件包括磁芯，
所述第一绕组与第一除热表面紧密贴合，并且
所述磁芯的至少一部分与第二除热表面贴合。
21.根据权利要求20所述的电路，其中，所述磁性元件还包括：
在所述第一绕组与所述第一除热表面之间的导热材料，以及
在所述磁芯的至少一部分与所述第二除热表面之间的导热材料。
22.根据权利要求21所述的电路，其中，冷却剂被迫与至少一个绕组的至少一部分直接接触。
23.一种多相逆变器，包括多个根据权利要求1所述的电路。
24.根据权利要求23所述的多相逆变器，所述多相逆变器被配置成为电机或公用事业负载供电。
CN202080031839.5A 2019-03-27 2020-03-27 多相开关调节器 Pending CN113795898A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962824931P 2019-03-27 2019-03-27
US62/824931 2019-03-27
PCT/US2020/025535 WO2020198707A1 (en) 2019-03-27 2020-03-27 Polyphase switching regulator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113795898A true CN113795898A (zh) 2021-12-14

Family

ID=72607561

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080031839.5A Pending CN113795898A (zh) 2019-03-27 2020-03-27 多相开关调节器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11791118B2 (zh)
JP (1) JP2022521856A (zh)
KR (1) KR20220017392A (zh)
CN (1) CN113795898A (zh)
WO (1) WO2020198707A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220158562A1 (en) * 2016-01-25 2022-05-19 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd Integrated inductor and a power conversion module including the integrated inductor
US11869695B2 (en) * 2020-11-13 2024-01-09 Maxim Integrated Products, Inc. Switching power converter assemblies including coupled inductors, and associated methods
WO2023055895A1 (en) * 2021-09-29 2023-04-06 Enure, Inc. Polyphase ac to dc converter

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3648149A (en) * 1971-03-11 1972-03-07 Lorain Prod Corp Polyphase inverter circuit
US3753062A (en) * 1971-05-19 1973-08-14 Lear Motors Corp Polyphase motor system with dc motor characteristics
US4446393A (en) * 1976-10-29 1984-05-01 The Globe Tool & Engineering Company Dynamoelectric field assembly and winding therefor
US6518814B1 (en) * 1999-12-28 2003-02-11 Koninklijke Philips Electronics N.V. High-voltage capacitor voltage divider circuit having a high-voltage silicon-on-insulation (SOI) capacitor
US6784644B2 (en) * 2001-02-22 2004-08-31 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Multiphase clamp coupled-buck converter and magnetic integration
US20040233690A1 (en) * 2001-08-17 2004-11-25 Ledenev Anatoli V. Multiple power converter system using combining transformers
US6937115B2 (en) 2002-02-25 2005-08-30 Massachusetts Institute Of Technology Filter having parasitic inductance cancellation
US6836036B2 (en) * 2002-06-14 2004-12-28 Dube Jean-Yves Electric motor with modular stator ring and improved heat dissipation
US7365468B2 (en) * 2004-07-20 2008-04-29 Bluway Systems, Llc Motor stator having transposed winding layers
US7023182B1 (en) * 2004-11-03 2006-04-04 Intersil Americas Inc. Activating a phase in a multiphase DC/DC converter without disturbing the output voltage
ITVA20070010A1 (it) * 2007-01-17 2008-07-18 St Microelectronics Srl Metodo e relativo dispositivo per determinare i tre duty cycle dei segnali pwm di controllo di un inverter
US7791321B2 (en) * 2007-02-23 2010-09-07 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Coupled-inductor multi-phase buck converters
US20080315982A1 (en) * 2007-06-08 2008-12-25 Intersil Americas Inc. Coupled-inductor core for unbalanced phase currents
US8441241B2 (en) * 2010-05-03 2013-05-14 Intel Corporation Methods and systems to digitally balance currents of a multi-phase voltage regulator
US8415904B2 (en) * 2010-06-29 2013-04-09 Ac Propulsion, Inc. Open delta motor drive with integrated recharge
DE102011006681A1 (de) 2011-04-01 2012-10-04 Aloys Wobben Polschuh
US9806607B2 (en) 2014-09-10 2017-10-31 Texas Instruments Incorporated Circuit for controlling a power supply voltage for a high-side gate driver
US10008322B2 (en) 2014-10-29 2018-06-26 General Electric Company Filter assembly and method
US9973084B2 (en) * 2014-11-20 2018-05-15 Infineon Technologies Austria Ag Switching voltage regulator input power estimation
US9948184B2 (en) * 2016-02-08 2018-04-17 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Current balance method for multiphase switching regulators

Also Published As

Publication number Publication date
US11791118B2 (en) 2023-10-17
KR20220017392A (ko) 2022-02-11
WO2020198707A1 (en) 2020-10-01
US20200312595A1 (en) 2020-10-01
JP2022521856A (ja) 2022-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7280026B2 (en) Extended E matrix integrated magnetics (MIM) core
TWI439031B (zh) 非對稱耦合電感、多相直流轉直流轉換器以及用於控制多相直流轉直流轉換器之操作之控制器
US11791118B2 (en) Polyphase switching regulator
US9721719B1 (en) Coupled inductors with leakage plates, and associated systems and methods
US20110080242A1 (en) Methods and apparatus for electromagnetic components
EP2711944A1 (en) Reactor device and power converter employing same
EP2565883A1 (en) A split winding transformer
US20130127434A1 (en) Coupled Inductor Arrays And Associated Methods
CN107533897B (zh) 具有泄露控制的低轮廓耦合感应器
JP2011130572A (ja) Ｄｃｄｃコンバータ
JP7394230B2 (ja) Ｘｒａｍ電流増大器を用いたエネルギーストレージモジュール
EP2439756A2 (en) Multi-phase transformer
US20220084743A1 (en) Coupled inductors for low electromagnetic interference
US20150016150A1 (en) Multi-phase converter
US8487560B2 (en) Electric brake system with magnetic loss
JP2022013626A (ja) 絶縁型多相ｄｃ／ｄｃコンバータ、電気回路及び多相トランス
EP3853876A1 (en) Low-height coupled inductors
US20230106121A1 (en) Polyphase ac to dc converter
CN104734529A (zh) 功率单元及使用该功率单元的多相电力驱动器
JP7391776B2 (ja) リアクトル
EP2556584A1 (en) Static electric power converter
JP2021197503A (ja) リアクトル
GB2350239A (en) Magnetic circuit laminations forming a capacitor
JP2023059445A (ja) 複数相磁気結合リアクトル
JP2020126957A (ja) 磁気部品

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination