CN214226728U - 一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感，包括两组电感线圈、两组磁芯，所述磁芯为E型磁芯且两组磁芯对接放置，两组电感线圈分别环绕安装在对接后的两磁芯两侧的边柱上。该应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感与现有技术相比，可以降低电感成本，提高功率密度，实用性强，适用范围广泛，易于推广。

Description

一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感

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、应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感。

背景技术

近几年氢能源领域发展迅速，氢能源堆功率提升巨大，相应的对直流变换器的功率要求也随之增加。例如重卡，物流车的功率要求已经高达150kW. 对于如此大功率车载直流变换器最大的挑战在于功率密度的提升。Boost变换器的升压功能可完美契合氢能源系统的需求，即把宽范围低压氢能源堆的输出变换为稳定的高压输送给储能侧。同时Boost变换器具有拓扑简单、能效高等优点，适合可靠性要求高的车载设备。电感作为Boost 电路的主要元件之一，起着储存能量和传递能量的功能因此电感设计至关重要，对Boost 变换器性能（变换器效率、电流纹波、变换器体积等）有重要影响。

为提升输出功率，使用单个Boost变换器需要容量很大的电感储存能量，同时需要开关器件承受很大的电流应力；多个Boost变换器并联虽然解决了开关管电流应力问题但随之而来的多个电感使得Boost变换器体积变大，增加了系统安装固定的复杂程度，同时降低了电路板的机械负荷降低变换器的工作可靠性。

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、提高变换器功率密度、应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感。

一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感，包括两组电感线圈、两组磁芯，所述磁芯为E型磁芯且两组磁芯对接放置，两组电感线圈分别环绕安装在对接后的两磁芯两侧的边柱上。

两组电感线圈与两组磁芯组成两电感，两电感分别为两变换器各自的一部分，两变换器并联且均由场效应晶体管、电感及二极管组成，每组变换器的具体结构为：电感的输入侧连接氢燃料电堆的输出侧，电感的输出侧连接二极管的正极、 场效应晶体管的漏极，场效应管的源极接氢燃料电堆的输入侧；所述二极管的负极接入负载，负载的输出侧接氢燃料电堆的输入侧。

所述负载由并联的一电容、一电阻组成，相对应的，每组变换器的二极管负极均接入电容、电阻的输入侧，电容、电阻的输出侧均接入氢燃料电堆的输入侧。

本实用新型的一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感，具有以下优点：

本实用新型提供的一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感，采用本实用新型的电感后变换器的电感电流脉动降低，磁芯最大磁链降低，磁芯体积减小，即采用本实用新型的电感可以降低电感成本，提高功率密度，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为现有技术中直流变换器的结构示意图。

附图2是本实用新型中直流变换器的结构示意图。

附图3是本实用新型电感结构示意图。

附图4是本实用新型电感磁路模型图。

附图5是本实用新型磁芯的主视图。

附图6是本实用新型磁芯的左视图。

附图7是本实用新型磁芯的俯视图。

附图中的标记分别表示：

1、氢燃料电堆，2、变换器，2.1、电感，2.11、电感线圈，2.12、磁芯，2.2、二极管，2.3、场效应晶体管，3、负载，3.1、电阻，3.2、电容。

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。

一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感，由电感线圈2.11、磁芯2.12组成，所述电感线圈2.11、磁芯2.12均设置有两组且形成两电感2.1，两电感2.1为两变换器2中的一部分且两电感2.1共用两磁芯2.12，两磁芯2.12均为E型磁芯且对接放置，两变换器2中电感2.1的电感线圈2.11分别环绕安装在对接后的两磁芯2.12两侧的边柱上。

所述两变换器2与氢燃料电堆1相连接，两变换器2的输入侧均为氢燃料电堆1，即氢燃料电堆1的输出作为两组变换器2的输入，两变换器2的输出均连接负载3。

并联的每组变换器2均由场效应晶体管2.3、电感2.1及二极管2.2组成，每组变换器2的具体结构为：氢燃料电堆1的输出侧连接电感2.1的输入侧，电感2.1的输出侧连接二极管2.2的正极、 场效应晶体管2.3的漏极，场效应管的源极接氢燃料电堆1的输入侧；所述二极管2.2的负极接入负载3，负载3的输出侧接氢燃料电堆1的输入侧。

本实用新型中，场效应晶体管2.3和电感2.1是直流变换器2的两大主要器件，通过控制场效应晶体管2.3的占空比控制电感2.1能量的储存和释放实现Boost功能。

所述负载3由并联的一电容3.2、一电阻3.1组成，相对应的，每组变换器2的二极管2.2负极均接入电容3.2、电阻3.1的输入侧，电容3.2、电阻3.1的输出侧均接入氢燃料电堆1的输入侧。

每组变换器2中的电感2.1均由电感线圈2.11、磁芯2.12组成，两变换器2中电感2.1共用两磁芯2.12，两磁芯2.12均为E型磁芯且对接放置，两变换器2中电感2.1的电感线圈2.11分别环绕安装在对接后的两磁芯2.12两侧的边柱上。

在本实用新型中，将变换器中的两个或多个分立电感器件，即电感线圈2.11绕制在一副磁芯2.12上，形成多个电感耦合的结构，合理设计耦合电感自感值和耦合系数可以减小磁芯2.12数量和电感体积，提高变换器功率密度。

本实用新型的图3为提及的耦合电感磁集成结构示意图，将图2所示的并联变换器2的两个电感2.1集成在一个磁芯2.12上。附图中上侧的磁芯1和下侧的磁芯2为E型磁芯，L1、L2分别代表并联变换器的输入电感2.1，两个输入电感2.1共享一个E-E磁芯。R1、R2、R3及Rg分别代表E-E型磁芯磁阻及气息磁阻。R0表示E-E磁芯外围四条腿的磁阻因此R0=2* R2+2* R3，Rc表示E-E磁芯中间腿的磁阻因此Rc=2* R1+Rg。

图4为耦合电感磁路模型，根据克希荷夫电流和电压定律我们可以得到磁芯中的磁路关系φ3Rc − φ1Ro =– NL1iL1，φ3Rc − φ2Ro =– NL2iL2，φ1 + φ2 + φ3 = 0.如图3所示两个电感线圈2.11采用反向耦合的方式，相比正向耦合反向耦合磁芯中直流分量小可以提高磁芯饱和上限，同时可以减小大功率场合下磁芯中柱损耗。此时L1表现出的等效电感为L1+M且电感电流中的奇次谐波可以被抵消。分析发现，若前后自感值不变，与采用独立电感相比，采用本实用新型的电感后变换器的电感电流脉动降低，磁芯最大磁链降低，磁芯体积减小，即采用本实用新型的电感可以降低电感成本，提高功率密度。

图5-图7为本实用新型磁芯的三视图，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如图5-图7所示。非本实用新型的方式解决方案需要两个磁性元件。

本实用新型磁芯的体积为：(4A+2C)*(2A+D)*B。

未采用本实用新型技术的磁芯的体积为：2*(2A+2C)*(A+D)*B。

以600V 25kW的模组为例，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25kW的转换器中，能量转换效率可以提高0.5～1%. 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 (2)

1.一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感，其特征在于，包括两组电感线圈、两组磁芯，所述磁芯为E型磁芯且两组磁芯对接放置，两组电感线圈分别环绕安装在对接后的两磁芯两侧的边柱上；两组电感线圈与两组磁芯组成两电感，两电感分别为两变换器各自的一部分，两变换器并联且均由场效应晶体管、电感及二极管组成，每组变换器的具体结构为：电感的输入侧连接氢燃料电堆的输出侧，电感的输出侧连接二极管的正极、 场效应晶体管的漏极，场效应管的源极接氢燃料电堆的输入侧；所述二极管的负极接入负载，负载的输出侧接氢燃料电堆的输入侧。

2.根据权利要求1所述的一种应用于氢燃料直流变换器的新型高功率密度耦合电感，其特征在于，所述负载由并联的一电容、一电阻组成，相对应的，每组变换器的二极管负极均接入电容、电阻的输入侧，电容、电阻的输出侧均接入氢燃料电堆的输入侧。

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