CN116779296A - 一种级联拓扑磁集成装置 - Google Patents

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CN116779296A CN202210217679.4A CN202210217679A CN116779296A CN 116779296 A CN116779296 A CN 116779296A CN 202210217679 A CN202210217679 A CN 202210217679A CN 116779296 A CN116779296 A CN 116779296A
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柳小平
李超
李章胜
杨宏冀
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Abstract

本发明公开了一种级联拓扑磁集成装置，级联拓扑磁集成装置包括磁芯、变压器以及电感组件，磁芯包括多条磁支路。变压器的绕组绕制于磁支路上。电感组件的绕组绕制于磁支路上，当电感组件与变压器均通电时，将电感组件的直流磁通叠加至变压器的绕组在磁支路所形成的交流磁通上，以提高磁芯的利用率。解决了现有技术中电源管理电路中磁芯较多造成的尺寸大的技术问题。

Description

一种级联拓扑磁集成装置
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，特别涉及级联拓扑磁集成装置。
背景技术
现有技术中，变压器以及电感作为电源管理电路中的常用元器件，为了提高电感的电感量，在进行电路设计时，一般会在电感中加入磁芯，而变压器本身也具有磁芯，这样两者的组合造成整体的尺寸大。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种级联拓扑磁集成装置，解决现有技术中电源管理电路中磁芯较多造成的尺寸过大的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提出一种级联拓扑磁集成装置，所述级联拓扑磁集成装置包括：
磁芯，所述磁芯包括多条磁支路；
变压器，所述变压器的绕组绕制于所述磁支路上；
电感组件，所述电感组件的绕组绕制于所述磁支路上；
当所述电感组件与所述变压器均通电时，将所述电感组件的直流磁通叠加至所述变压器的绕组在磁支路所形成的交流磁通上，以提高磁芯的利用率。
可选地，所述变压器包括第一初级绕组、第二初级绕组以及次级绕组；
所述磁芯包括第一磁芯绕柱；第二磁芯绕柱、第三磁芯绕柱以及第一固定柱，所述第一磁芯绕柱、所述第二磁芯绕柱以及所述第三磁芯绕柱均设置于所述第一固定柱上，所述第一磁芯绕柱与所述第三磁芯绕柱基于所述第二磁芯绕柱对称设置，所述第一初级绕组绕制于所述第一磁芯绕柱上，所述第二初级绕组绕制于所述第二磁芯绕柱上，所述次级绕组绕设于所述第一磁芯绕柱以及所述第三磁芯绕柱上，所述电感组件绕设于所述第二磁芯绕柱上。
可选地，所述第一初级绕组与所述第二初级绕组互为耦合线圈。
可选地，所述磁芯还包括第二固定柱，所述第二固定柱分别与所述第一磁芯绕柱以及所述第三磁芯绕柱固定连接。
可选地，所述变压器为隔离变压器。
可选地，所述第二磁芯绕柱与所述第二固定柱间隔预设距离设置。
可选地，所述级联拓扑磁集成装置还包括原边电路，所述原边电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，所述原边电路的第一输入端连接至输入正线，所述原边电路的第一输入端连接至输入地线，所述原边电路的第一输出端与所述电感组件的第一端连接，所述原边电路的第二输出端与所述第一初级绕组的第一端连接，所述原边电路的第三输出端与所述第二初级绕组的第一端连接，所述电感组件的第二端、所述第一初级绕组的第二端以及所述第二初级绕组的第二端互联。
可选地，所述原边电路包括第一电容、第二电容、第一电感、第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，所述第一电感的第一端为所述原边电路的第一输入端，所述第一电感的第二端、所述第一电容的第一端以及所述第一开关的第一端互联；所述第一开关的第二端与所述第二开关的第一端连接，其连接节点为所述原边电路的第一输出端，所述第一开关的受控端、所述第二开关的受控端、所述第三开关的受控端以及所述第四开关的受控端均连接至外部控制电路；所述第三开关的第一端、所述第二开关的第二端、所述第四开关的第一端以及所述第二电容的第一端互联，所述第三开关的第二端为所述原边电路的第二输出端；所述第四开关的第二端为所述原边电路的第三输出端；所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端连接。
可选地，所述级联拓扑磁集成装置包括副边电路，所述副边电路包括第五开关、第六开关、第七开关以及第八开关，所述第五开关的第一端、所述第六开关的第一端以及所述次级绕组的第一端连接，所述第五开关的第二端与所述第八开关的第一端连接，其连接节点构成所述副边电路的第一输出端，所述第五开关的受控端、所述第六开关的受控端、所述第七开关的受控端、所述第六开关的受控端均连接至外部受控端；所述第六开关的第二端与所述第七开关的第一端连接，其连接节点构成所述副边电路的第二输出端，所述第七开关的第二端与所述第八开关的第二端连接。
可选地，所述磁芯包括EI磁芯、EE磁芯、ER磁芯以及PQ磁芯。
上述发明通过在具有多条磁支路的同一磁芯中同时绕制变压器以及电感组件使得通电时电感组件的直流磁通叠加至所述变压器的绕组在磁支路所形成的交流磁通上，从而提高磁芯的利用率，减少了电感变压器所需的磁芯尺寸以及数量，从而解决了电源管理电路中磁芯较多造成的尺寸过大的技术问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1为一个实施例中级联拓扑磁集成装置的结构示意图。
图2为一个实施例中级联拓扑磁集成装置的电路示意图。
图3为一个实施例中级联拓扑磁集成装置的电路示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
为了解决电源管理电路中磁芯较多造成的尺寸过大的技术问题，本发明提出一种级联拓扑磁集成装置。
在一实施例中，如图1所示，所述级联拓扑磁集成装置包括磁芯20、变压器以及电感组件oo'，所述磁芯20包括多条磁支路。所述变压器的绕组绕制于所述磁支路上。所述电感组件oo'的绕组绕制于所述磁支路上。
其中，当所述电感组件oo'与所述变压器均通电时，将所述电感组件oo'的直流磁通叠加至所述变压器的绕组在磁支路所形成的交流磁通上，以提高磁芯20的利用率。本实施例通过在具有多条磁支路的同一磁芯20中同时绕制变压器以及电感组件oo'，使得通电时电感组件oo'的直流磁通叠加至所述变压器的绕组在磁支路所形成的交流磁通上，从而提高磁芯20的利用率，减少了变压器以及电感组件oo'所需的磁芯20尺寸，解决了电源变换电路中磁芯20较多造成的尺寸过大的技术问题。进一步的，由于电感组件oo'的直流磁通叠加至所述变压器的绕组在磁支路所形成的交流磁通上，然后进行耦合，从而提高了功率密度。
在上述实施例中，通过将电路或者变换器中的分立磁件，如电感、变压器等，绕制在一副磁芯20上，从结构上集中在一起。通过上述方式不仅能够减小磁件的体积以及重量，减小电流纹波、降低磁件损耗、改善电源动态性能，还能进一步提高电源的性能及功率密度。
在一实施例中，如图1所示，所述变压器包括第一初级绕组o'-ps、第二初级绕组o'-ns以及次级绕组a-b；
所述磁芯20包括磁芯20第一磁芯绕柱201；第二磁芯绕柱202、第三磁芯绕柱203以及第一固定柱204，所述磁芯20第一磁芯绕柱201、所述第二磁芯绕柱202以及所述第三磁芯绕柱203均设置于所述第一固定柱204上，所述磁芯20第一磁芯绕柱201与所述第三磁芯绕柱203基于所述第二磁芯绕柱202对称设置，所述第一初级绕组o'-ps绕制于所述磁芯20第一磁芯绕柱201上，所述第二初级绕组o'-ns绕制于所述第三磁芯绕柱203上，所述次级绕组a-b绕设于所述磁芯20第一磁芯绕柱201以及所述第三磁芯绕柱203上，所述电感组件oo'绕设于所述第二磁芯绕柱202上。
其中，电感组件oo'绕制在第二磁芯绕柱202，也即中柱上，当电感组件oo'电流由o流向o'，根据安培定则，第二磁芯绕柱202上磁感线方向由左向右，然后向两个低磁阻的磁芯20第一磁芯绕柱201以及第三磁芯绕柱203返回，磁感线在磁芯20第一磁芯绕柱201以及第三磁芯绕柱203上的方向是由右向左。电流由电感组件oo'的一端o'流向第一初级绕组o'-ps的一端PS，第一初级绕组o'-ps绕组绕制在磁芯20第一磁芯绕柱201上，那么其产生磁感线方向也是由右向左。次级绕组a-b分别绕制在磁芯20第一磁芯绕柱201以及所述第三磁芯绕柱203上，磁感线也同样是只走磁芯20第一磁芯绕柱201以及所述第三磁芯绕柱203上，跟初级绕组一致，完成电压变换和解磁。
当电流由电感组件oo'的一端o'流向第二初级绕组o'-ns的一端NS，第二初级绕组o'-ns绕组绕制在第三磁芯绕柱203上，第三磁芯绕柱203上磁感线的方向是由左向右，抵消电感磁通，磁感线经磁芯20第一磁芯绕柱201返回解磁(磁芯20第一磁芯绕柱201的磁感线方向是由右向左)。由此可见，无论电感组件oo'电流流向哪个初级绕组，磁芯20第一磁芯绕柱201以及第三磁芯绕柱203上的磁感线方向都是一样的，能够自行解磁。次级绕组a-b绕制在磁芯20第一磁芯绕柱201以及所述第三磁芯绕柱203上，磁感线也同样是只走磁芯20第一磁芯绕柱201以及所述第三磁芯绕柱203上，跟初级绕组一致，完成电压变换和解磁。
在上述实施例中，电感组件oo'的直流磁通和变压器绕组的交流磁通进行叠加或抵消，将电感组件oo'和变压器集成到一个磁芯20中，提高磁芯20的利用率，减少体积提升功率密度。而变压器的漏感可做为电感oo'的一部分，参与正常的储能与释能，而非以一种电压尖峰的无用功形式消耗掉，无用的电压尖峰能量对器件电压应力不利影响，而采用上述磁集成方案，变压器漏感可作为集成电感的一部分，合为一个电感进行储能或释放能量，以有功的形式进行转化，并提升变换效率。
可选地，多层PCB板或导线做电感组件oo'的绕组、第一初级绕组o'-ps、第二初级绕组o'-ns以及次级绕组a-b。
通过上述方式，可以实现在多种电路状态下的磁集成，可以将本申请中的技术方案的应用范围再行扩展，方便在各种场合的应用。
可选地，所述第一初级绕组o'-ps与所述第二初级绕组o'-ns互为耦合线圈。
其中，第一初级绕组o'-ps的ps端，与第二初级绕组o'-ns的o'互为同名端，当两者互为耦合线圈时，使得在第一初级绕组o'-ps以及第二初级绕组o-ns中的感生电动势相反，当结合至图1看，两者的磁感线方向相同。
在一实施例中，所述磁芯20还包括第二固定柱205，所述第二固定柱205分别与所述磁芯20第一磁芯绕柱201以及所述第三磁芯绕柱203固定连接。
通过第二固定柱205可以进一步固定磁芯20第一磁芯绕柱201、第二磁芯绕柱202以及所述第三磁芯绕柱203之间的相对位置关系，保证磁芯20结构的稳定性。
可选地，所述变压器为隔离变压器。
在一实施例中，所述第二磁芯绕柱202与所述第二固定柱205间隔预设距离设置。
其中，第二磁芯绕柱202中柱开有气隙，可避免电感组件oo'饱和，电感组件oo’在磁芯20的第二磁芯绕柱202，即中柱上，通过开气隙可以提高变压器的抗饱和能力。实现多个磁件集成，此时磁芯20具有多条磁支路，将多个交变磁通不一定相同的分立的磁件集成起来。不改变原有磁芯20结构，充分利用某些磁芯20多磁路的特性(如EI、EE型磁芯20)进行集成。基本原理就是集成变压器中的电感所产生的直流磁通叠加变压器变化电路的交流磁通。
在一实施例中，所述级联拓扑磁集成装置还包括原边电路，所述原边电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，所述原边电路的第一输入端连接至输入正线，所述原边电路的第一输入端连接至输入地线，所述原边电路的第一输出端与所述电感组件oo'的第一端连接，所述原边电路的第二输出端与所述第一初级绕组o'-ps的第一端连接，所述原边电路的第三输出端与所述第二初级绕组o'-ns的第一端连接，所述电感组件oo'的第二端、所述第一初级绕组o'-ps的第二端以及所述第二初级绕组o'-ns的第二端互联。
此时，原边电路可以控制第一初级绕组o'-ps以及第二初级绕组o'-ns的接入与接出，进一步实现磁集成方案的可靠，实现有效的将集成变压器中的电感所产生的直流磁通叠加变压器变换电路的交流磁通。
在一实施例中，如图2所示，所述原边电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感LIN、第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3以及第四开关Q4，所述第一电感LIN的第一端为所述原边电路的第一输入端，所述第一电感LIN的第二端、所述第一电容C1的第一端以及所述第一开关Q1的第一端互联；所述第一开关Q1的第二端与所述第二开关Q2的第一端连接，其连接节点为所述原边电路的第一输出端，所述第一开关Q1的受控端SBH、所述第二开关Q2的受控端SBL、所述第三开关Q3的受控端SP以及所述第四开关Q4的受控端SL均连接至外部控制电路；所述第三开关Q3的第一端、所述第二开关Q2的第二端、所述第四开关Q4的第一端以及所述第二电容C2的第一端互联，所述第三开关Q3的第二端为所述原边电路的第二输出端；所述第四开关Q4的第二端为所述原边电路的第三输出端；所述第一电容C1的第二端与所述第二电容C2的第二端连接。
基于上述电路，参考图1以及图2所示，图中的磁性元件为同一个磁芯20，其中①o，o'为磁集成设计的电感组件oo'；②ns，o'为推挽电路的第二初级绕组ns；③ps，o'为推挽电路的第一初级绕组ps；④a，b为该磁集成设计的次级绕组，为便于工程化利用，气隙开在磁芯20的中柱上。
结合上述电路对本申请的工作原理进行说明：
电感组件oo'绕制在第二磁芯绕柱202，也即中柱上，中柱开有气隙，可避免电感饱和。磁芯20的两边侧柱，磁芯20第一磁芯绕柱201以及第三磁芯绕柱203不开气隙，中柱有气隙磁阻大，两边侧柱没气隙磁阻小，当电感组件oo'电流由o流向o'，根据安培定则，中柱磁感线方向由左向右，然后向两个低磁阻的侧柱返回，磁感线在两个侧柱上的方向是由右向左。假如此刻第四开关Q4管SL MOS管导通，电流由o'流向PS，o'-PS绕组绕制在上方侧柱上，那么其产生磁感线方向也是由右向左。由于中柱有气隙磁阻大，所以几乎所有的磁感线是从下面的侧柱低磁阻路径返回(方向是由左向右)，形成一个完整的磁通回路，同电感磁力线同向。当第四开关Q4管SL MOS管截止，第三开关Q3管SP MOS管导通时，电流由o'流向NS，o'-NS绕组绕制在下方侧柱上，下侧柱磁感线的方向是由左向右，抵消电感磁通，中柱有气隙磁阻大，侧柱无气隙磁阻小，磁感线经上侧柱返回解磁(上侧柱磁感线方向是由右向左)。由此可见，无论初级电感电流流向哪个初级绕组，侧柱上的磁感线方向都是一样的，能够自行解磁。次级绕组a-b分别绕制在两侧柱上，磁感线也同样是只走磁阻低的两侧柱，跟初级绕组一致，完成电压变换和解磁。电感的直流磁芯20和变压器的交流磁通进行叠加或抵消，将电感和变压器集成到一个磁芯20中，提高磁芯20的利用率，减少体积提升功率密度。而变压器的漏感可做为电感oo'的一部分，参与正常的储能与释能，而非以一种电压尖峰的无用功形式消耗掉，无用的电压尖峰能量对器件电压应力不利影响，而采用此磁集成方案，变压器漏感可作为集成电感的一部分，合为一个电感进行储能或释放能量，以有功的形式进行转化，减少第三开关Q3管以及第四开关Q4管的电压尖峰并提升变换效率。
在一实施例中，所述级联拓扑磁集成装置包括副边电路，所述副边电路包括第五开关Q5、第六开关Q6、第七开关Q7以及第八开关Q8，所述第五开关Q5的第一端、所述第六开关Q6的第一端以及所述次级绕组a-b的第一端连接，所述第五开关Q5的第二端与所述第八开关Q8的第一端连接，其连接节点构成所述副边电路的第一输出端，所述第五开关Q5的受控端S2、所述第六开关Q6的受控端S3、所述第七开关Q7的受控端S4、所述第八开关Q8的受控端S1均连接至外部受控端；所述第六开关Q6的第二端与所述第七开关Q7的第一端连接，其连接节点构成所述副边电路的第二输出端，所述第七开关Q7的第二端与所述第八开关Q8的第二端连接。
上述电路可以通过外部控制电路控制接入的第五开关Q5、第六开关Q6、第七开关Q7以及第八开关Q8，并能依据上述过程实现变压器变压过程的中止或者开始。
可选地，第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3以及第四开关Q4、第五开关Q5、第六开关Q6、第七开关Q7以及第八开关Q8均选用Nmos管，通过外部控制电路可以实现其有效通断的控制。
可选地，所述磁芯20包括EI磁芯、EE磁芯、EQ磁芯和PQ型磁芯，也可以为其他种类的多条磁支路的磁芯。
上述磁芯20可以设置有多条磁路，而且可以方便的在现有变压器的基础上进行改进，不用对其进行较大的结构上的改变。而且对称结构更利于进行磁路的设计。降低实际应用难度。
可选地，所述副边电路的数量可以并列多个，如图3所示，通过并列可以实现多种电压的有效转换。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述级联拓扑磁集成装置包括：
磁芯，所述磁芯包括多条磁支路；
变压器，所述变压器的绕组绕制于所述磁支路上；
电感组件，所述电感组件的绕组绕制于所述磁支路上；
当所述电感组件与所述变压器均通电时，将所述电感组件的直流磁通叠加至所述变压器的绕组在所述磁支路所形成的交流磁通上，以提高磁芯的利用率。
2.如权利要求1所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述变压器包括第一初级绕组、第二初级绕组以及次级绕组；
所述磁芯包括第一磁芯绕柱；第二磁芯绕柱、第三磁芯绕柱以及第一固定柱，所述第一磁芯绕柱、所述第二磁芯绕柱以及所述第三磁芯绕柱均设置于所述第一固定柱上，所述第一磁芯绕柱与所述第三磁芯绕柱基于所述第二磁芯绕柱对称设置，所述第一初级绕组绕制于所述第一磁芯绕柱上，所述第二初级绕组绕制于所述第三磁芯绕柱上，所述次级绕组绕设于所述第一磁芯绕柱以及所述第三磁芯绕柱上，所述电感组件绕设于所述第二磁芯绕柱上。
3.如权利要求2所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述第一初级绕组与所述第二初级绕组互为耦合线圈。
4.如权利要求2所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述磁芯还包括第二固定柱，所述第二固定柱分别与所述第一磁芯绕柱以及所述第三磁芯绕柱固定连接。
5.如权利要求3所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述变压器为隔离变压器。
6.如权利要求3所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述第二磁芯绕柱与所述第二固定柱间隔预设距离设置。
7.如权利要求2所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述级联拓扑磁集成装置还包括原边电路，所述原边电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，所述原边电路的第一输入端连接至输入正线，所述原边电路的第一输入端连接至输入地线，所述原边电路的第一输出端与所述电感组件的第一端连接，所述原边电路的第二输出端与所述第一初级绕组的第一端连接，所述原边电路的第三输出端与所述第二初级绕组的第一端连接，所述电感组件的第二端、所述第一初级绕组的第二端以及所述第二初级绕组的第二端互联。
8.如权利要求7所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述原边电路包括第一电容、第二电容、第一电感、第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，所述第一电感的第一端为所述原边电路的第一输入端，所述第一电感的第二端、所述第一电容的第一端以及所述第一开关的第一端互联；所述第一开关的第二端与所述第二开关的第一端连接，其连接节点为所述原边电路的第一输出端，所述第一开关的受控端、所述第二开关的受控端、所述第三开关的受控端以及所述第四开关的受控端均连接至外部控制电路；所述第三开关的第一端、所述第二开关的第二端、所述第四开关的第一端以及所述第二电容的第一端互联，所述第三开关的第二端为所述原边电路的第二输出端；所述第四开关的第二端为所述原边电路的第三输出端；所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端连接。
9.如权利要求1所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述级联拓扑磁集成装置包括副边电路，所述副边电路包括第五开关、第六开关、第七开关以及第八开关，所述第五开关的第一端、所述第六开关的第一端以及所述次级绕组的第一端连接，所述第五开关的第二端与所述第八开关的第一端连接，其连接节点构成所述副边电路的第一输出端，所述第五开关的受控端、所述第六开关的受控端、所述第七开关的受控端、所述第六开关的受控端均连接至外部受控端；所述第六开关的第二端与所述第七开关的第一端连接，其连接节点构成所述副边电路的第二输出端，所述第七开关的第二端与所述第八开关的第二端连接。
10.如权利要求1所述的级联拓扑磁集成装置，其特征在于，所述磁芯包括EI磁芯、EE磁芯、ER磁芯以及PQ磁芯。
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