CN210575456U - 一种提高功率密度的集成磁性元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高功率密度的集成磁性元件，包括变压器、电感，所述变压器包括第一磁芯、第二磁芯、原边线圈、副边线圈，原边线圈、副边线圈交错缠绕设置在第一磁芯、第二磁芯之间；电感包括上述第二磁芯、第三磁芯、电感线圈，所述电感线圈设置在第二磁芯与第三磁芯之间；所述第一磁芯、第三磁芯分别设置在第二磁芯相对的两面，电感线圈的一端连接副边线圈的一侧，即电感线圈与副边线圈合并为单个线圈。该提高功率密度的集成磁性元件与现有技术相比，将变压器和电感集成与一体，利用磁通抵消的原理使得集成的磁性元件具有低损耗高功率密度的优点。

Description

一种提高功率密度的集成磁性元件

技术领域

本实用新型涉及电子技术应用领域，具体地说是一种实用性强、提高功率密度的集成磁性元件。

背景技术

随着新能源汽车领域的发展，电力电子变换器对功率密度的要求越来越高。在这样的大功率应用场合，隔离型桥式电路以其电能转换效率高的优点被广泛应用。变压器为隔离型桥式电路的主要元件之一，为电路提供隔离功能和升降压功能，同时电感提供储存能量和传递能量的功能。

传统电路中，变压器和电感是分开的两个元件，往往占据整个电源的50％以上空间。为了优化空间，提高功率密度，一种解决方法是将变压器原边和副边线圈的耦合系数降低，增大漏电感，利用此漏电感作为电路中的主电感。然而此解决方法带来的负面作用是，降低了变压器的能量转换效率，并且带来更多热量，增加了散热系统的负担。

发明内容

本实用新型的技术任务是针对以上不足之处，提供一种实用性强、提高功率密度的集成磁性元件及基于该提高功率密度的集成磁性元件实现全范围软开关的方法。

一种提高功率密度的集成磁性元件，包括变压器、电感，所述变压器包括第一磁芯、第二磁芯、原边线圈、副边线圈，原边线圈、副边线圈交错缠绕设置在第一磁芯、第二磁芯之间；电感包括上述第二磁芯、第三磁芯、电感线圈，所述电感线圈设置在第二磁芯与第三磁芯之间；所述第一磁芯、第三磁芯分别设置在第二磁芯相对的两面，电感线圈的一端连接副边线圈的一侧，即电感线圈与副边线圈合并为单个线圈。

所述第一磁芯、第三磁芯均为E型磁芯，原边线圈、副边线圈交错环绕安装在第一磁芯的E形中柱外侧壁上，电感线圈环绕设置在第三磁芯的中柱外侧壁上。

所述第二磁芯为I型扁平磁芯，该第二磁芯放置在第一磁芯、第三磁芯中间。

所述副边线圈设置有两个端子且均放置在同一侧，与两端子相对的另一侧的副边线圈与电感线圈相连接。

该集成磁性元件安装在隔离型桥式电力电子变换器中，即该磁性元件中，变压器原边线圈连接输入侧的全桥电路，副边线圈连接输出侧的整流电路。

本实用新型的一种提高功率密度的集成磁性元件，具有以下优点：

本实用新型解决大功率隔离型桥式电力电子变换器功率密度低的问题，将变压器和电感集成与一体，利用磁通抵消的原理使得集成的磁性元件具有低损耗高功率密度的优点。而且线圈二合一，出线端子减少一半，减少了端子侧功率损耗，并且便于安装，实用性强，适用范围广泛，易于推广。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为本实用新型的集成磁性元件应用示意图。

附图2是本实用新型的集成磁性元件装配示意图。

附图3是本实用新型的集成磁性元件平面示意图以及磁通方向示意图。

附图4是本实用新型的第一磁芯、第三磁芯正视图。

附图5是本实用新型的第一磁芯、第三磁芯俯视图。

附图6是本实用新型的第二磁芯正视图。

附图7是本实用新型的第二磁芯俯视图。

附图中的标记分别表示：

1、第三磁芯，2、第一磁芯，3、第二磁芯，4、原边线圈，5、副边线圈，6、电感线圈。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种提高功率密度的集成磁性元件，包括变压器、电感，所述变压器包括第一磁芯2、第二磁芯3、原边线圈4、副边线圈5，原边线圈4、副边线圈5交错缠绕设置在第一磁芯2、第二磁芯3之间；电感包括上述第二磁芯3、第三磁芯1、电感线圈6，所述电感线圈6设置在第二磁芯3与第三磁芯1之间；所述第一磁芯2、第三磁芯1分别设置在第二磁芯3相对的两面，电感线圈6的一端连接副边线圈5的一侧，即电感线圈6与副边线圈5合并为单个线圈。

所述第一磁芯2、第三磁芯1均为E型磁芯，即第一磁芯2、第三磁芯1内侧均设置有中柱，原边线圈4、副边线圈5交错环绕安装在第一磁芯2的E形中柱外侧壁上，电感线圈6环绕设置在第三磁芯1的中柱外侧壁上。

所述第二磁芯3为I型扁平磁芯，该第二磁芯3放置在第一磁芯2、第三磁芯1中间。

所述副边线圈5设置有两个端子且均放置在同一侧，与两端子相对的另一侧的副边线圈5与电感线圈6相连接。

该集成磁性元件安装在隔离型桥式电力电子变换器中，即该磁性元件中，变压器原边线圈4连接输入侧的全桥电路，副边线圈5连接输出侧的整流电路。

本实用新型的集成磁性元件应用于隔离型桥式电力电子变换器，参见图1，输入侧为全桥电路，输出侧为整流电路。中间为高频变压器和电感，其中变压器变比为1:n,副边励磁电感为Lm，电感为Lr.高频变压器和电感通过本发明合并为单一的集成磁性元件，原边线圈4两个端子A、B分别连接输入侧全桥电路，副边线圈5两个端子C、D分别连接输出侧整流电路。

进一步的，如图2所示为本实用新型的结构示意图，将变压器和电感集成为一个磁性元件。第三磁芯1和第二磁芯2为E型磁芯，第二磁芯3为I型扁平磁芯。4为变压器原边线圈，5为变压器副边线圈，6为电感线圈，其中本发明的集成磁性元件已经将副边线圈5和电感线圈6合并为单个线圈。这样可以减少副边线圈的端子数量由四个减为两个，在高频变换器中，可以减少端子上的能量损耗。原边线圈4和副边线圈5通过完全交错的方式绕在第一磁芯2的中柱上，具有很高的耦合系数，漏感大大降低。电感线圈6绕在第三磁芯1的中柱上。第二磁芯3夹在第三磁芯1和第一磁芯2中间。所以变压器由第一磁芯2，第二磁芯3和原边线圈4，副边线圈5组成，电感由第三磁芯1、第二磁芯3和电感线圈6组成。其中第二磁芯3既为变压器一部分，同时也为电感的一部分。

本实用新型的集成磁性元件还具有磁通抵消的特点，可以降低磁芯损耗。图3为此集成元件的平面图。线圈中的x代表电流方向流入此平面，°代表电流方向流出此平面。图3中的7实线为变压器励磁电流产生的磁通方向，图3中的8虚线为电感电流产生的磁通方向。在I型平面磁芯中，两种磁通方向是相反的，可以相互抵消。因为磁芯损耗跟磁通密度正相关，所以低磁通密度可以大大降低磁芯损耗。

图4、图5为第一磁芯2、第三磁芯1的主视图和俯视图，图5、图6为第二磁芯3的主视图和俯视图，用于计算集成磁性元件的体积和损耗，以及与传统的离散式解决方案的对比。

磁性元件体积计算与对比：

本专利提出的集成磁性元件磁芯的结构为1、第三磁芯，2、第一磁芯，3、第二磁芯的组合。传统离散式解决方法为第三磁芯1和第二磁芯3构成一个磁性元件，第一磁芯2和第二磁芯3构成另外一个磁性元件。

集成磁性元件磁芯的体积为：A*C*(3F-E)。

离散式磁性元件磁芯的体积为：2*A*C*(2F-E)。

磁芯损耗计算与对比：

本专利提出的集成磁性元具有磁通抵消的特点。传统离散式解决方法则没有。

磁芯1有效体积为V(1),产生的磁通密度为B(1),磁芯2有效体积为V(2),产生的磁通密度为B(2),磁芯3有效体积为V(3)因为变压器产生的磁通密度为B(3-1),因为电感产生的磁通密度为B(3-2)。

集成磁性元件磁芯的损耗为：

X*f^{^a}*B(1)^{^b}*V(1)+X*f^{^a}*B(2)^{^b}*V(2)+X*f^{^a}*(B(3-1)-B(3-2))^{^b}*V(3)。

传统离散式磁性元件磁芯的损耗为：

X*f^{^a}*B(1)^{^b}*V(1)+X*f^{^a}*B(2)^{^b}*V(2)+X*f^{^a}*(B(3-1)+B(3-2))^{^b}*V(3)。

其中X,a,b均为系数，与磁芯材料相关。

以ER64为例，将较于单独的两个磁性元件，集成后的磁性元件可以体积减小20％，同时在2kW的转换器中，能量转换效率可以提高0.5～1％.同时集成后的元件减小了体积，同时简便了系统的机械设计和安装固定。

最后需要说明的是：以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，仅用于说明本实用新型的技术方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种提高功率密度的集成磁性元件，其特征在于，包括变压器、电感，所述变压器包括第一磁芯、第二磁芯、原边线圈、副边线圈，原边线圈、副边线圈交错缠绕设置在第一磁芯、第二磁芯之间；电感包括上述第二磁芯、第三磁芯、电感线圈，所述电感线圈设置在第二磁芯与第三磁芯之间；所述第一磁芯、第三磁芯分别设置在第二磁芯相对的两面，电感线圈的一端连接副边线圈的一侧，即电感线圈与副边线圈合并为单个线圈。

2.根据权利要求1所述的一种提高功率密度的集成磁性元件，其特征在于，所述第一磁芯、第三磁芯均为E型磁芯，原边线圈、副边线圈交错环绕安装在第一磁芯的E形中柱外侧壁上，电感线圈环绕设置在第三磁芯的中柱外侧壁上。

3.根据权利要求2所述的一种提高功率密度的集成磁性元件，其特征在于，所述第二磁芯为I型扁平磁芯，该第二磁芯放置在第一磁芯、第三磁芯中间。

4.根据权利要求1所述的一种提高功率密度的集成磁性元件，其特征在于，所述副边线圈设置有两个端子且均放置在同一侧，与两端子相对的另一侧的副边线圈与电感线圈相连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种提高功率密度的集成磁性元件，其特征在于，该集成磁性元件安装在隔离型桥式电力电子变换器中，即该磁性元件中，变压器原边线圈连接输入侧的全桥电路，副边线圈连接输出侧的整流电路。

Images