CN211508902U

CN211508902U - 一种磁集成双频变换器

Info

Publication number: CN211508902U
Application number: CN201922445155.7U
Authority: CN
Inventors: 高圣伟; 王浩; 贺琛; 胡聪卫
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2029-12-27

Abstract

本实用新型公开了一种磁集成双频变换器。其特征在于，包括直流电源、磁集成结构、输入滤波电容、输出滤波电容、第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件；磁集成结构在一个磁芯中集成了两个储能电感，两个电感工作在不同的频率下。磁集成双频变换器的高频单元用于提高系统动态响应速度和输出精度，低频单元对高频单元电流进行分流并承担输出功率，同时可以降低开关损耗。整个电路仅含有一个磁元件，大大减小了磁件的体积，进而提高功率密度。本实用新型能在高低频单元运行在不同频率下实现大功率、小体积、高效能量传递，特别适合于中大功率场合。本实用新型采用定频变占空比控制，具有很大的理论价值和实用价值。

Description

一种磁集成双频变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子磁集成技术，具体涉及一种磁集成双频变换器。

背景技术

近年来，DC/DC变换器朝着高频化的方向发展。高频化必然带来开关器件的高损耗，双频变换器能够很好的解决这一问题。但是附加的变换器导致变换器的体积变大，功率密度降低以及成本的增加。根据统计磁元件(包括变压器、电感的重量一般占变换器的30％～40％、体积大约占20％～30％，因此磁元件成为限制变换器功率密度提升的主要因数。通过磁集成技术可以很好的减小磁元件的体积和重量。

目前电感与电感的磁集成方法适合于两电感工作在同一工作频率下，但不适合双频变换器的两个工作在不同频率的电感的磁集成，会导致集成后的磁芯饱和度较高。

发明内容

本实用新型提供一种磁集成双频变换器，以实现两个工作在不同频率下的电感在一个磁芯的磁集成。

本实用新型提供了一种磁集成双频变换器，包括直流电源、输入滤波电容、输出滤波电容，第一开关器件，第二开关器件，第三开关器件，第四开关器件、磁集成结构；所述的直流电源的正极同输入滤波电容的一端、第一开关器件的漏极、第二开关器件的漏极相连接，直流电源的负极同输入滤波电容的另一端、第三开关器件的源极、第四开关器件的源极、输出滤波电容的一端相连接；所述的第一开关器件的源极同第二开关器件的漏极、磁集成结构第一端口、磁集成结构第四端口相连接；所述的第二开关器件的源极同第四开关器件的漏极、磁集成结构第三端口相连接；所述的磁集成结构第二端口同输出滤波电容的另一端相连接。

可选地，所述的磁集成结构包括EE/EI磁芯或平面磁芯、高频电感绕组、低频电感第一绕组、低频电感第二绕组；高频电感绕组绕在磁芯侧柱Ⅱ上，低频电感第一绕组绕在磁芯侧柱Ⅲ上，低频电感第二绕组绕在磁芯中柱Ι上；其中高频电感绕组一端作为磁集成结构第一端口，高频电感绕组另一端作为磁集成结构第二端口，低频电感第一绕组一端作为磁集成结构第三端口，低频电感第一绕组另一端同低频电感第二绕组相连接，低频电感第二绕组另一端作为磁集成结构第四端口；所述的EE/EI磁芯或平面磁芯三个磁柱均开有气隙。

可选地，所述的磁集成结构包括UIU磁芯、高频电感第一绕组、高频电感第二绕组、低频电感绕组；高频电感第一绕组绕在磁芯侧柱Ⅱ上，高频电感第二绕组绕在磁芯侧柱Ⅲ上，低频电感绕组绕在磁芯中柱Ι上；其中高频电感第一绕组一端作为磁集成结构第一端口，高频电感第一绕组另一端同高频电感第二绕组相连接，高频电感第二绕组另一端作为磁集成结构第二端口，低频电感绕组作为磁集成结构第三端口、第四端口；所述的UIU磁芯磁柱Ι同磁柱Ⅱ之间和磁柱Ι同磁柱Ⅲ之间均开有气隙。

可选地，所述的变换器高低频单元分别采用定频变占空比PWM控制；开关器件和开关器件工作在高频状态，且两者互补导通，第二开关器件和第四开关器件工作在低频状态，且两者互补导通。

本实用新型的有益效果为：本实用新型通过提供磁集成双频变换器，主要包括直流电源、滤波电容、滤波电容，第一开关器件，第二开关器件，第三开关器件，第四开关器件、磁集成结构；解决两个工作在不同频率的电感在一个磁芯的磁集成问题，磁集成后双频变换器的重量和体积降低，提高变换器的功率密度效果，且磁集成后的电感运行状态不受影响。本实用新型的集成磁件的饱和度得到降低，减小了变换器的铁损。

附图说明

图1是磁集成双频变换器示意图；

图2是本实用新型的仅使用一个EE/EI磁芯实现高频电感置于左侧柱，低频电感分别置于中柱和右侧柱的磁集成结构图。

图3是本实用新型的仅使用一个UIU磁芯实现高频电感置于两侧柱，低频电感置于中柱的磁集成结构图。

具体实施方式

图1为本实用新型实施例提供的新型磁集成双频变换器示意图。本实用新型实施例提供的一种磁集成双频变换器包括：直流电源、输入滤波电容、输出滤波电容，第一开关器件，第二开关器件，第三开关器件，第四开关器件、磁集成结构；直流电源的正极同输入滤波电容的一端、第一开关器件的漏极、第二开关器件的漏极相连接，直流电源的负极同输入滤波电容的另一端、第三开关器件的源极、第四开关器件的源极、输出滤波电容的一端相连接；第一开关器件的源极同第二开关器件的漏极、磁集成结构第一端口、磁集成结构第四端口相连接；第二开关器件的源极同第四开关器件的漏极、磁集成结构第三端口相连接；磁集成结构第二端口同输出滤波电容的另一端相连接。磁集成结构是本实用新型主要内容，为一个四端口结构，除了可以采用图2所示的基本结构外，还可以采用图3多种不同的变化形式，分别解决高低频电感的磁集成、磁集成后磁芯侧柱Ⅲ饱和、磁集成后磁芯两侧柱饱和，以方便实际设计与应用。变换器高低频单元分别采用定频变占空比PWM控制；开关器件和开关器件工作在高频状态，且两者互补导通，第二开关器件和第四开关器件工作在低频状态，且两者互补导通。

图2为本实用新型的仅使用一个EE/EI磁芯实现高频电感置于左侧柱，低频电感分别置于中柱和右侧柱的磁集成结构图。磁集成结构包括：EE/EI磁芯或平面磁芯、高频电感绕组、低频电感第一绕组、低频电感第二绕组；高频电感绕组绕在磁芯侧柱Ⅱ上，低频电感第一绕组绕在磁芯侧柱Ⅲ上，低频电感第二绕组绕在磁芯中柱Ι上；其中高频电感绕组一端作为磁集成结构第一端口，高频电感绕组另一端作为磁集成结构第二端口，低频电感第一绕组一端作为磁集成结构第三端口，低频电感第一绕组另一端同低频电感第二绕组相连接，低频电感第二绕组另一端作为磁集成结构第四端口；EE/EI磁芯或平面磁芯三个磁柱均开有气隙。磁集成结构的高频电感产生的磁通对低频电感第一绕组在磁芯侧柱Ⅲ的磁通削减，高频电感产生的磁通对低频电感第二绕组在磁芯中柱Ⅱ的磁通增强，高频电感的运行对低频电感的运行产生的影响相互抵消；通过对低频电感在磁芯侧柱Ⅲ和磁芯中柱Ι匝数的合理设计，低频电感第一绕组和低频电感第二绕组产生的磁通对高频电感在磁芯侧柱Ⅱ磁通相互抵消，低频电感运行不对高频电感运行产生影响。实现了高低频电感的解耦集成，磁集成后中柱产生的磁通最大，但由于磁芯的中柱比侧柱更宽，所以饱和度会降低。

图3为本实用新型的仅使用一个UIU磁芯实现高频电感置于两侧柱，低频电感置于中柱的磁集成结构图。磁集成结构包括：UIU磁芯、高频电感第一绕组、高频电感第二绕组、低频电感绕组；高频电感第一绕组绕在磁芯侧柱Ⅱ上，高频电感第二绕组绕在磁芯侧柱Ⅲ上，低频电感绕组绕在磁芯中柱Ι上；其中高频电感第一绕组一端作为磁集成结构第一端口，高频电感第一绕组另一端同高频电感第二绕组相连接，高频电感第二绕组另一端作为磁集成结构第二端口，低频电感绕组作为磁集成结构第三端口、第四端口；UIU磁芯磁柱Ι同磁柱Ⅱ之间和磁柱Ι同磁柱Ⅲ之间均开有气隙。磁集成结构的两侧柱的高频电感第一绕组和高频电感第二绕组产生的磁通在磁芯中柱相互抵消，高频电感运行不对低频电感运行产生影响；中柱的低频电感对高频电感第一绕组的磁芯侧柱Ⅱ的磁通削减，中柱的低频电感对高频电感第二绕组的磁芯侧柱Ⅲ的磁通增强，低频电感的运行对高频电感的运行产生的影响相互抵消。实现了高低频电感的解耦集成，磁集成后侧柱Ⅲ产生的磁通最大，但由于UIU型磁芯侧柱Ⅲ比EE/EI型磁芯侧柱Ⅲ更宽，所以饱和度会降低。

所述的双频变换器采用双频Buck、双频Boost、双频Buck/Boost等变换器，但并非对其限制。所述的磁集成结构应用于双频变换器、交错并联变换器等，但并非对其限制。本实用新型所提出的所有变换器及磁集成结构，其自然推演与变化组合形式均在保护之内。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本实用新型提到的各个部件为现有领域常见技术，本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种磁集成双频变换器，其特征在于，包括直流电源V_IN、输入滤波电容C₁、输出滤波电容C₂，第一开关器件S₁，第二开关器件S₂，第三开关器件

第四开关器件

磁集成结构；所述的直流电源V_IN的正极同输入滤波电容C₁的一端、第一开关器件S₁的漏极、第二开关器件S₂的漏极相连接，直流电源V_IN的负极同输入滤波电容C₁的另一端、第三开关器件

的源极、第四开关器件

的源极、输出滤波电容C₂的一端相连接；所述的第一开关器件S₁的源极同第二开关器件S₂的漏极、磁集成结构第一端口1、磁集成结构第四端口4相连接；所述的第二开关器件S₂的源极同第四开关器件

的漏极、磁集成结构第三端口3相连接；所述的磁集成结构第二端口2同输出滤波电容C₂的另一端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁集成双频变换器，其特征在于所述的磁集成结构包括EE/EI磁芯或平面磁芯、高频电感绕组L₁、低频电感第一绕组L₂₁、低频电感第二绕组L₂₂；高频电感绕组L₁绕在磁芯侧柱Ⅱ上，低频电感第一绕组L₂₁绕在磁芯侧柱Ⅲ上，低频电感第二绕组L₂₂绕在磁芯中柱Ι上；其中高频电感绕组L₁一端作为磁集成结构第一端口1，高频电感绕组L₁另一端作为磁集成结构第二端口2，低频电感第一绕组L₂₁一端作为磁集成结构第三端口3，低频电感第一绕组L₂₁另一端同低频电感第二绕组L₂₂相连接，低频电感第二绕组L₂₂另一端作为磁集成结构第四端口4；所述的EE/EI磁芯或平面磁芯三个磁柱均开有气隙。

3.根据权利要求1所述的一种磁集成双频变换器，其特征在于所述的磁集成结构包括UIU磁芯、高频电感第一绕组L₁₁、高频电感第二绕组L₁₂、低频电感绕组L₂；高频电感第一绕组L₁₁绕在磁芯侧柱Ⅱ上，高频电感第二绕组L₁₂绕在磁芯侧柱Ⅲ上，低频电感绕组L₂绕在磁芯中柱Ι上；其中高频电感第一绕组L₁₁一端作为磁集成结构第一端口1，高频电感第一绕组L₁₁另一端同高频电感第二绕组L₁₂相连接，高频电感第二绕组L₁₂另一端作为磁集成结构第二端口2，低频电感绕组L₂作为磁集成结构第三端口3、第四端口4；所述的UIU磁芯磁柱Ι同磁柱Ⅱ之间和磁柱Ι同磁柱Ⅲ之间均开有气隙。

4.根据权利要求1或3所述的一种磁集成双频变换器，其特征在于所述的变换器高低频单元分别采用定频变占空比PWM控制；第一开关器件S₁和第三开关器件

工作在高频状态，第二开关器件S₂和第四开关器件

工作在低频状态。