CN219626421U

CN219626421U - 一种电流控制型磁阀式柔性电感器、变压器和llc谐振变换器

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Publication number: CN219626421U
Application number: CN202220876421.0U
Authority: CN
Inventors: 杨玉岗
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-09-01
Anticipated expiration: 2032-04-07

Abstract

一种电流控制型磁阀式柔性电感器，由一个“EE”形铁芯、两个直流控制线圈和一个交流线圈构成；在“EE”形铁芯的两个侧柱上形成两个磁阀，在“EE”铁芯的中柱上有气隙；两个直流控制线圈分别绕在“EE”形铁芯的两个侧柱上，交流线圈绕在“EE”形铁芯的中柱上；两个直流控制线圈串联，并通过直流控制电流；调节直流控制电流的大小，可以改变两个磁阀的磁饱和程度，实现交流线圈电感量的超宽范围调节。本实用新型的有益效果是：所提供的柔性电感器，具有直流控制线圈匝数少、电流小，交流线圈电感量调节范围大等优点，用于LLC谐振变换器，可以实现变换器的超宽输入、输出电压范围和超宽负载范围调节，以及多路并联变换器的均流控制。

Description

一种电流控制型磁阀式柔性电感器、变压器和LLC谐振变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子变换器领域，尤其是用于电力电子LLC谐振变换器中的电流控制型磁阀式柔性谐振电感器和柔性谐振变压器。

背景技术

近年来，为各种用电设备提供电能的开关电源正朝着低电压、大电流、体积小、重量轻、效率高、薄型化和集成化方向发展，包括为计算机的中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)和数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)等高精度、高速度微处理器提供精密电源的电压调整模块，以及近年来兴起的广泛应用于大数据中心、电动汽车、混合动力车、不间断电源、电能质量调节电源、航空电源、新能源发电及超导储能等领域的开关电源，这些开关电源通过采用谐振变换器尤其是LLC谐振变换器和LCC谐振变换器等谐振变换器的拓扑结构，使得这些谐振变换器能够实现其变压器原边开关管的零电压开通(ZVS)和副边开关管的零电流关断(ZCS)，具有低损耗、低开关应力、高效率和高功率密度等优点，因此，LLC谐振变换器和LCC谐振变换器等谐振变换器在上述领域中得到了广泛应用。

传统LLC谐振变换器面临两个主要问题：一是LLC谐振变换器采用变频控制进行输出电压和负载的调节，但是，在输入电压范围、输出电压范围和负载变化范围较宽时，LLC谐振变换器的开关频率变化范围也变宽，导致其谐振电感器和谐振变压器难以优化设计；二是为了扩充容量，LLC谐振变换器常常需要多相并联运行，然而由于各并联相的谐振元件存在容差(电感容差±5％，电容容差±5％)，导致各并联相的谐振电流和整流输出电流不均衡，严重时会损坏电路。

为了解决这两个问题，人们研究了可变电感器和可变变压器，然而，传统可变电感器和可变变压器的铁芯侧柱的截面积保持不变，铁芯侧柱需要很大的直流安匝数才能进入磁性材料的过渡区，进行谐振电感值的调节，导致直流控制绕组的匝数多、电流大，可变电感器和可变变压器的体积大、成本高、损耗大，而且电感值的调节范围也比较窄。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种电流控制型磁阀式柔性电感器和柔性变压器，用于LLC谐振变换器和LCC谐振变换器等谐振变换器，通过改变电流控制型磁阀式柔性电感器和柔性变压器的直流控制电流的大小，实现柔性电感器的电感值和柔性谐振变压器的励磁电感值的超宽范围调节，从而实现LLC谐振变换器的超宽输入、输出电压范围和超宽负载变化范围，以及多路并联LLC谐振变换器的均流控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电流控制型磁阀式柔性电感器，由两个“E”形铁芯、两个直流控制线圈和一个交流线圈构成；所述“E”形铁芯的两个侧柱端部截面积小于侧柱其他部分的截面积，所述两个侧柱的端部长度相等，所述两个“E”形铁芯的中柱比侧柱短；所述两个“E”形铁芯的所有磁柱分别正面相对放置，形成“EE”形铁芯，由所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱端部分别形成所述“EE”铁芯的两个磁阀；由于所述“EE”铁芯的中柱比侧柱短，在所述“EE”形铁芯的两个中柱之间形成气隙；所述两个直流控制线圈分别绕在所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱上，所述交流线圈绕在所述“EE”形铁芯的中柱上；所述两个直流控制线圈串联，并施加直流控制电压而产生直流控制电流，在所述“EE”形铁芯的四个侧柱和两个磁轭中产生直流磁通；在所述交流线圈中通过交流电流，在所述“EE”形铁芯的中柱中产生交流磁通，所述交流磁通一分为二，分别通过所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱；调节所述直流控制电压的大小，来改变所述直流控制电流的大小，控制所述两个磁阀的磁饱和程度，从而实现所述交流线圈的电感量的超宽范围调节。

本发明的有益效果是：本发明所提供的电流控制型磁阀式柔性电感器，具有直流控制线圈的匝数少、直流控制电流小、交流线圈的电感量调节范围大等优点，可以用于LLC谐振变换器和LCC谐振变换器等各种类型的谐振变换器，实现谐振变换器的超宽输入、输出电压范围和超宽负载变化范围调节，以及多路并联谐振变换器的均流控制。

以下结合附图以实施例作具体说明。

附图说明

图1是一种矩形磁阀式“EE”形铁芯的结构主视图。

图2是图1的一种电流控制型矩形磁阀式柔性电感器的结构主视图。

图3是图2的实施例二的一种电流控制型矩形磁阀式柔性变压器的结构主视图。

图4是图1的实施例三的一种两级矩形磁阀式“EE”形铁芯的结构主视图。

图5是图1的实施例四的一种梯形磁阀式“EE”形铁芯的结构主视图。

图6是图1的实施例五的一种梯形+矩形磁阀式“EE”形铁芯的结构主视图。

图7是图1的实施例六的一种四分之一圆弧+矩形磁阀式“EE”形铁芯的结构主视图。

图8是图1的实施例七的一种矩形磁阀式“EE”形铁芯的结构主视图。

图9是图8和图2的实施例七的一种电流控制型矩形磁阀式柔性电感器的结构主视图。

图10是图9的实施例八的一种电流控制型矩形磁阀式柔性变压器的结构主视图。

图11是图2的实施例九的基于电流控制型磁阀式柔性电感器的一种LLC谐振变换器的电路拓扑图。

图12是图3的实施例十的基于电流控制型磁阀式柔性变压器的一种LLC谐振变换器的电路拓扑图。

图中，1-“E”形铁芯；2-“E”形铁芯的外侧磁柱；3-“E”形铁芯的中柱；4-“E”形铁芯1的磁轭；5-两个“E”形铁芯1的中柱3之间的气隙，2-1-“E”形铁芯1的外侧磁柱2的矩形小截面积端部；2-2-“E”形铁芯1的外侧磁柱2的主体部分；A-“E”形铁芯1的外侧磁柱2的截面积；A₁-“E”形铁芯1的外侧磁柱2的矩形端部2-1的截面积，A₁小于A；d-端部2-1的长度；6-由两个“E”形铁芯1组成“EE”形铁芯，两个“E”形铁芯1的中柱3正面相对放置，形成“EE”铁芯的铁芯中柱，两个“E”形铁芯1的侧柱端部2-1正面相对放置，形成长度为2d、截面积为A₁的矩形磁阀；6-1、6-2-将矩形磁阀6的中部的截面积减小，其中截面积未减小部分称为第一级矩形磁阀，截面积减小部分称为第二级矩形磁阀；N_dc1、N_dc2-分别绕在“EE”形铁芯的四个两两相对放置的外侧磁柱2上的两个直流控制线圈；N_ac1、N_ac2-绕在“EE”形铁芯的两个相对放置的中柱3上的两个交流线圈；I_dc-在两个串联的直流控制线圈N_dc1、N_dc2中通过的直流控制电流；Φ_dc-直流控制电流I_dc在“EE”形铁芯的四个两两相对放置的外侧磁柱2中产生的直流磁通；i_ac1-在交流线圈N_ac1中通过的交流电流；Φ_ac-交流电流i_ac1在“EE”形铁芯的中柱3中产生的交流磁通；Φ_ac1、Φ_ac2-交流磁通Φ_ac在“EE”形铁芯的四个两两相对放置的侧柱2中分成两部分；L_ac1、L_ac1-交流线圈N_ac1、N_ac2的电感量；i_ac2-交流磁通Φ_ac在交流线圈N_ac2中感应的交流电流；V_in、V_o-LLC谐振变换器的直流输入电压、检测到的输出直流电压；Q₁、Q₂、Q₃、Q₄-LLC谐振变换器原边侧的电力电子开关器件；L_r-LLC谐振变换器的谐振电感；N_r-谐振电感L_r的绕组；C_r-LLC谐振变换器的谐振电容；T_r-LLC谐振变换器的谐振变压器；N_p、N_s-谐振变压器Tr的原、副边绕组；L_m-原边线圈N_p的励磁电感；D-LLC谐振变换器的副边侧整流电路；C_o-LLC谐振变换器的直流输出滤波电容；R_L-LLC谐振变换器的负载电阻；V_ref-LLC谐振变换器控制系统的给定直流电压；ΔV-LLC谐振变换器控制系统的给定直流电压V_ref与输出直流电压V_o反馈值的偏差；PI-比例积分调节器；i_r-流过谐振电感L_r的变压器原边谐振电流；I_D-变压器副边整流电流。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。为了全面地了解本发明，在下面的详细描述中提到了许多具体细节，但本领域的技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。

实施例一：

参照附图1、2，一种电流控制型磁阀式柔性电感器，由两个“E”形铁芯1、两个直流控制线圈N_dc1、N_dc2和一个交流线圈N_ac1构成；所述“E”形铁芯1的两个侧柱2的端部2-1的截面积A₁小于侧柱2的主体部分2-2的截面积A，所述侧柱2的端部2-1的长度为d，所述两个“E”形铁芯1的中柱3比侧柱2短；将所述两个“E”形铁芯2的所有磁柱分别正面相对放置，形成“EE”形铁芯，由所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱2的端部2-1分别形成所述“EE”铁芯的长度为2d、截面积为A₁的两个矩形磁阀6；由于所述“EE”铁芯的中柱3比侧柱2短，在所述“EE”形铁芯的两个中柱3之间形成气隙5；所述两个直流控制线圈N_dc1、N_dc2分别绕在所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱2上，所述交流线圈N_ac1绕在所述“EE”形铁芯的中柱3上；所述两个直流控制线圈N_dc1、N_dc2串联，并施加直流控制电压V_dc而产生直流控制电流I_dc，在所述“EE”形铁芯的四个侧柱2和两个磁轭4中产生直流磁通Φ_dc；在所述交流线圈N_ac1中通过交流电流i_ac1，在所述“EE”形铁芯的中柱中产生交流磁通Φ_ac，所述交流磁通Φ_ac一分为二：Φ_ac1和Φ_ac2，分别通过所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱2；调节所述直流控制电压V_dc的大小，来改变所述直流控制电流I_dc的大小，可以控制所述两个矩形磁阀6的磁饱和程度，从而实现所述交流线圈N_ac1的电感量L_ac1的超宽范围调节。

实施例二：

参照附图3，一种电流控制型磁阀式柔性变压器，将实施例1中所述交流线圈N_ac1作为所述柔性变压器的原边绕组；在实施例1中的“EE”形铁芯的中柱3上增加一个交流线圈N_ac2，作为所述柔性变压器的副边绕组；在所述原边绕组N_ac1的输入端施加交流电压，产生原边交流电流i_ac1，在“EE”铁芯的中柱3中产生交流磁通Φ_ac1，所述交流磁通Φ_ac1在所述副边绕组N_ac2上产生感应电势，输出副边交流电流i_ac2；所述交流磁通Φ_ac1一分为二：Φ_ac1、Φ_ac2，分别通过所述“EE”形铁芯的四个两两相对放置的侧柱2；调节所述直流控制电压V_dc的大小，来改变所述直流控制电流I_dc的大小，可以控制两个矩形磁阀6的磁饱和程度，从而实现所述柔性变压器的原边绕组N_ac1的励磁电感量L_ac1的超宽范围调节。

实施例三：

参照附图4，一种电流控制型磁阀式柔性电感器，将实施例1所述截面积为A₁的一级矩形磁阀6改为两级矩形磁阀，其中第二级磁阀6-2的截面积A₂小于第一级磁阀6-1的截面积A₁；本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器的直流控制线圈、交流线圈与附图2所述直流控制线圈、交流线圈相同。此外，也可以参照实施例2，将本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器改为电流控制型磁阀式柔性变压器。

实施例四：

参照附图5，一种电流控制型磁阀式柔性电感器，将实施例1所述矩形磁阀6改为双梯形磁阀6-3；本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器的交、直线圈与附图2所述交、直线圈相同。此外，也可以参照实施例2，将本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器改为电流控制型磁阀式柔性变压器。

实施例五：

参照附图6，一种电流控制型磁阀式柔性电感器，将实施例4所述双梯形磁阀6-3改为双梯形+矩形磁阀6-4；本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器的交、直线圈与附图2所述交、直线圈相同。此外，也可以参照实施例2，将本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器改为电流控制型磁阀式柔性变压器。

实施例六：

参照附图7，一种电流控制型磁阀式柔性电感器，将实施例1所述矩形磁阀6改为双四分之一圆弧形+矩形磁阀6-5，四分之一圆弧的半径为R，矩形的宽度为W，矩形的高度为2d；本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器的交、直线圈与附图2所述交、直线圈相同。此外，也可以参照实施例2，将本实施例所述电流控制型磁阀式柔性电感器改为电流控制型磁阀式柔性变压器。

实施例七：

参照附图8、9，一种电流控制型磁阀式柔性电感器，将实施例1所述“EE”形铁芯的具有磁阀6的其中两个正面相对放置的侧柱2与两个正面相对放置的中柱3的位置互换。此外，也可以将实施例3～6所述“EE”形铁芯的其中两个正面相对放置的侧柱2与中柱3的位置互换。

实施例八：

参照附图10，一种电流控制型磁阀式柔性变压器，将实施例2所述“EE”形铁芯的具有磁阀6的其中两个正面相对放置的侧柱2与两个正面相对放置的中柱3的位置互换。此外，也可以将实施例3～6所述“EE”形铁芯的其中两个正面相对放置的侧柱2与中柱3的位置互换。

实施例九：

参照附图11，一种基于电流控制型磁阀式柔性电感器的LLC谐振变换器，将实施例1所述电流控制型磁阀式柔性电感器用于所述LLC谐振变换器，作为所述LLC谐振变换器的谐振电感L_r；所述LLC谐振变换器的控制系统中的给定直流电压V_ref与输出直流电压V_o的偏差ΔV经过PI(比例积分)调节，得到直流控制电压V_con，经过电压控制电流源，得到直流控制电流I_dc，通入电流控制型磁阀式柔性电感器的直流控制线圈N_dc1和N_dc2，实现所述LLC谐振变换器的谐振电感L_r的超宽范围调节，从而实现LLC谐振变换器的输入电压V_in、输出电压V_o和负载电阻R_L的超宽变化范围调节，以及多路并联LLC谐振变换器的变压器原边谐振电流和副边整流电流的均流控制。

实施例十：

参照附图12，一种基于电流控制型磁阀式柔性变压器的LLC谐振变换器，将实施例2所述电流控制型磁阀式柔性变压器用于所述LLC谐振变换器，作为所述LLC谐振变换器的谐振变压器T_r；所述LLC谐振变换器的控制系统中的给定直流电压V_ref与输出直流电压V_o的偏差ΔV经过PI(比例积分)调节，得到直流控制电压V_con，经过电压控制电流源，得到直流控制电流I_dc，通入电流控制型磁阀式柔性变压器的直流控制线圈N_dc1和N_dc2，实现所述LLC谐振变换器的谐振变压器T_r的励磁电感L_m的超宽范围调节，从而实现LLC谐振变换器的输入电压V_in、输出电压V_o和负载电阻R_L的超宽变化范围调节。

最后应当说明的是：以上所述实施例只是本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。本说明书中应用了以上多个实施例对本发明的原理及实施方式进行了闸述，只是被用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变。因此，本说明书的内容不应被理解为对本发明的限制，凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电流控制型磁阀式柔性电感器，由两个“E”形铁芯、两个直流控制线圈和一个交流线圈构成，其特征在于：所述“E”形铁芯的两个侧柱端部截面积小于侧柱其他部分的截面积，所述两个侧柱的端部长度相等，所述两个“E”形铁芯的中柱比侧柱短；所述两个“E”形铁芯的所有磁柱分别正面相对放置，形成“EE”形铁芯，由所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱端部分别形成所述“EE”形铁芯的两个磁阀；由于所述“EE”形铁芯的中柱比侧柱短，在所述“EE”形铁芯的两个中柱之间形成气隙；所述两个直流控制线圈分别绕在所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱上，所述交流线圈绕在所述“EE”形铁芯的两个正面相对放置的中柱上；所述两个直流控制线圈串联，并施加直流控制电压而产生直流控制电流，在所述“EE”形铁芯的四个侧柱和两个磁轭中产生直流磁通；在所述交流线圈中通过交流电流，在所述“EE”形铁芯的中柱中产生交流磁通，所述交流磁通一分为二，分别通过所述“EE”形铁芯的四个两两正面相对放置的侧柱；调节所述直流控制电压的大小，来改变所述直流控制电流的大小，可以控制所述两个磁阀的磁饱和程度，从而实现所述交流线圈的电感量的超宽范围调节。

2.根据权利要求1所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：在“EE”形铁芯的中柱上增加一个交流线圈，形成一种电流控制型磁阀式柔性变压器，权利要求1中柔性电感器的交流线圈作为所述柔性变压器的原边绕组，所增加的交流线圈作为所述柔性变压器的副边绕组；在所述原边绕组的输入端施加原边交流电压，产生原边交流电流，在所述“EE”形铁芯的铁芯中柱中产生原边交流磁通，并在所述副边绕组上产生感应电势，输出副边交流电流；所述原边交流磁通一分为二，分别通过所述“EE”形铁芯的四个两两正对放置的侧柱；调节所述直流控制电压的大小，来改变所述直流控制电流的大小，控制两个磁阀的磁饱和程度，从而实现所述柔性变压器原边绕组的励磁电感量的超宽范围调节。

3.根据权利要求1所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将权利要求1中的一级磁阀增加为两级磁阀，其中第二级磁阀的截面积小于第一级磁阀的截面积；所述电流控制型磁阀式柔性电感器的直流控制线圈、交流线圈与权利要求1所述直流控制线圈、交流线圈相同。

4.根据权利要求1所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将矩形磁阀改为双梯形磁阀；所述柔性电感器的直流控制线圈、交流线圈与权利要求1所述直流控制线圈、交流线圈相同。

5.根据权利要求4所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将权利要求4中的双梯形磁阀改为双梯形+矩形磁阀；所述柔性电感器的直流控制线圈、交流线圈与权利要求1所述直流控制线圈、交流线圈相同。

6.根据权利要求1所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将权利要求1中的矩形磁阀改为双四分之一圆弧形+矩形磁阀；所述柔性电感器的直流控制线圈、交流线圈与权利要求1所述直流控制线圈、交流线圈相同。

7.根据权利要求1所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将“EE”形铁芯的其中两个正面相对放置的具有磁阀的侧柱与两个正面相对放置的中柱的位置互换。

8.根据权利要求2所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将“EE”形铁芯的其中两个正面相对放置的具有磁阀的侧柱与两个正面相对放置的中柱的位置互换。

9.根据权利要求1所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将权利要求1中的电流控制型磁阀式柔性电感器用于LLC谐振变换器，作为所述LLC谐振变换器的谐振电感；所述LLC谐振变换器的控制系统中的给定直流电压与检测到的输出直流电压的偏差经过比例积分(PI)调节，得到直流控制电压，经过电压控制电流源，得到直流控制电流，通入所述电流控制型磁阀式柔性电感器的两个直流控制线圈，实现所述LLC谐振变换器的谐振电感量的超宽范围调节，从而实现所述LLC谐振变换器的输入电压、输出电压和负载的超宽变化范围调节，以及多路并联LLC谐振变换器的变压器原边谐振电流和副边整流电流的均流控制。

10.根据权利要求2所述的一种电流控制型磁阀式柔性电感器，其特征在于：将权利要求2中的电流控制型磁阀式柔性变压器用于LLC谐振变换器，作为所述LLC谐振变换器的谐振变压器；所述LLC谐振变换器的控制系统中的给定直流电压与检测到的输出直流电压的偏差经过比例积分(PI)调节，得到直流控制电压，经过电压控制电流源，得到直流控制电流，通入所述谐振变压器的直流控制线圈，实现所述谐振变压器的原边励磁电感值的超宽范围调节，从而实现所述LLC谐振变换器的输入电压、输出电压和负载的超宽变化范围调节。