磁集成技術(shù)及其在電力電子中的應(yīng)用
http://www.newmaker.com/disp_art/1240022/11076.html
華南理工大學(xué) 喬蕾 劉永強(qiáng)


摘 要:功率磁性元件廣泛用于電力電子裝置中,它擔(dān)負(fù)著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,采用磁集成技術(shù)可以有效地減小磁性元件的體積和損耗,提高功率密度和工作效率,改善輸出紋波.本文綜述了磁集成的概念、分析方法及其在電力電子中的應(yīng)用.
關(guān)鍵詞:磁集成;電力電子;變換器;應(yīng)用

Integrated Magnetic Technology and its Application in P ower Electronic
QIAO Lei, LIU Yongqiang
(College of Electric Power,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Power magnetic components are widely used in power electronic devices,serving fo r transfer and memory of magnetic energy,filtering and electrical isolation.The parameters of magnetic components influence the performance of circuit greatly.A doption of integrated magnetic technology can reduce volume and cost of the comp onents,enhance power density and efficiency,and improve output ripple. This pape r provides an overview of the notion and analysis method of integrated magnetic and its application in power electronics.
Key words: integrated magnetic; power electronic; converter; application

1 前言

功率磁性元件是所有電力電子裝置中必不可少的關(guān)鍵器件.它擔(dān)負(fù)著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,其體積和重量一般占到整個電路的20%至30%,損耗約占總損耗的30%.同時,磁性元件的各參數(shù)對電路的性能影響很大,如變壓器漏感對電壓尖峰的影響,變壓器原、副邊繞組的耦合電容對隔離性能的影響.因此,磁性器件的研究對于減小電力電子裝置的體積和重量、提高電壓調(diào)制性能有十分重要的意義.

近年來,隨著開關(guān)器件和軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展,人們通常采用提高工作頻率的辦法實(shí)現(xiàn)開關(guān)電 源的小型化,但是受到磁性器件特性的限制,高頻化的方法有一定局限性.因?yàn)樘岣吖ぷ黝l率,會使磁性器件的磁芯損耗顯著增加,所以在高頻工作時磁性器件的磁芯一般要降額使用,磁芯的工作磁密遠(yuǎn)小于其飽和磁密,限制了磁性器件體積的進(jìn)一步減小.為了能進(jìn)一步減小磁性器件的體積、重量和損耗,提高磁件性能,人們研究了磁集成技術(shù),并將其應(yīng)用于電力電子磁性器件的設(shè)計(jì)中.

2 磁集成技術(shù)

2.1 磁集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自從Cuk第一次提出了磁件集成化[1,2]的思想后,磁集成的概念不斷擴(kuò)展,這一技術(shù)發(fā)展很快[3],已成為電力電子行業(yè)發(fā)展的一個趨勢.近幾年,隨著電力電子技術(shù)高頻磁技術(shù)的不斷發(fā)展,磁集成技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為電力電子技術(shù)的一個分支,國外很多研究人員致力于這方面的研究,但國內(nèi)的研究和應(yīng)用還處于起步階段.

2.2 磁集成技術(shù)的定義和特點(diǎn)

集成磁件實(shí)際上包含兩方面含義[4,5]:一是將多個磁性元件集成在一個磁芯結(jié)構(gòu)上,充分利用各個磁件在具體電路拓?fù)渲械碾妷?、電流關(guān)系以及磁路拓?fù)渲械拇磐?、磁勢關(guān)系,實(shí)現(xiàn)多個磁件的集成,以減小體積,提高開關(guān)電源的功率密度、降低損耗、改善輸出濾波效果(例如將兩個或多個電感器繞制在一個磁芯上);二是將磁性元件與線路板結(jié)合(例如直接將磁件的繞組制造在線路板上,采用厚膜技術(shù)將磁芯和繞組制造在硅片上等).本文主要討論第一類問題.

在電力電子中,磁集成技術(shù)主要應(yīng)用于開關(guān)電源和UPS逆變器中,有以下優(yōu)點(diǎn):(1)減少開關(guān)電源中器件的數(shù)量;(2)使集成磁件的最大工作磁密小于各分立磁件的磁密和,以減小磁件磁芯的截面積,從而減小磁件磁芯的體積和重量;(3)使集成磁件磁芯磁通的脈動量減小,從而使磁件的鐵損耗減小,提高開關(guān)電源的效率和功率密度;(4)改善開關(guān)電源的性能,如減小開關(guān)電源輸入和輸出電流的紋波,提高開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度等.

3 集成磁件的設(shè)計(jì)與建模

3.1 集成磁件的設(shè)計(jì)步驟

由于所設(shè)計(jì)的集成磁件是用于特定電路,因此,不僅要在設(shè)計(jì)的過程中考慮特定電路的要求,設(shè)計(jì)完成后對集成磁件的分析也很重要.另外,集成方式的選擇要綜合考慮其對鐵損和電流脈動的影響,以優(yōu)化電路性能.

集成磁件的設(shè)計(jì)大致可分四步:

第一步由分立磁件變換器推導(dǎo)出多種集成磁件變換器;
第二步結(jié)合具體電路,對比分析多種磁集成方案,從中選出最好的;
第三步完成集成磁件的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì);
第四步對磁集成變換器進(jìn)行仿真及其硬件實(shí)現(xiàn).

對于功率變換電路,磁性元件對其性能的提高有重要的作用.例如,在輸出端增加電感或使各個電感有所耦合有利于減小電流紋波,但電感數(shù)量的增加往往相應(yīng)增加了磁件的數(shù)量、體積和損耗.如果采用磁集成技術(shù),電路拓?fù)渲写旁?shù)量的增加并不一定意味著實(shí)際電路布置上磁結(jié)構(gòu)所占體積和磁件損耗的增加.所以,在研究電路拓?fù)鋾r,不僅要從電路拓?fù)浞矫婵紤]問題,還要注意將電路拓?fù)浞桨概c磁件可能的集成結(jié)構(gòu)方案綜合在一起研究,達(dá)到磁件結(jié)構(gòu)與電路結(jié)構(gòu)的最佳組合.

3.2 集成磁件電路模型的建立方法

磁件分析所采用的基本原理是磁路的基本定律及電磁感應(yīng)定律.為了分析磁件對電路的影響,一般需要建立磁件的等效電路.本節(jié)主要介紹現(xiàn)有的兩種建立磁件等效電路的方法:磁路-電路對偶變換法和磁導(dǎo)-電容類比法.

3.2.1 磁路-電路對偶變換法

磁路-電路對偶變換法[4]是根據(jù)磁件的磁路模型,通過對偶變換等方法導(dǎo)出磁件的電路模型.步驟如下:①根據(jù)磁路歐姆定律,得到磁件的等效電路;②運(yùn)用對偶原理,得到等效電路的對偶圖;③對得到的對偶圖進(jìn)行尺度變換,得到電流、磁鏈關(guān)系圖,以便于應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律得到等效電路;④根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及變壓器的阻抗變換原理,得到等效電路.

下面以圖1(a)所示的集成磁件為例,簡要說明整個推導(dǎo)過程.

(1)不考慮漏磁,根據(jù)圖1(a)的參考方向,由歐姆定律得到磁件的磁路模型,如圖1(b )所示.
(2)根據(jù)對偶變換的原則,由圖1(b)所示的等效磁路推得其對偶圖,如圖1(c).
(3)以Np1繞組為參考對圖1(c)進(jìn)行尺度變換,得到電流、磁鏈的關(guān)系圖,如圖1(d)所示.
(4)根據(jù)圖1(d)所示的電流、磁鏈關(guān)系得到磁件的等效電路模型,如圖1(e).










用磁路-電路對偶變換法推得的等效電路是用電感和理想變壓器來表征的,便于將集成電路與分立電路相比較,但它不能直接反映磁件的電路參數(shù)與磁路參數(shù)的特性[6].為此人們提出了另一種建立磁件等效電路的方法,磁導(dǎo)-電容類比法.

3.2.2 磁導(dǎo)-電容類比法

這種方法是通過磁路參數(shù)與電路參數(shù)的類比關(guān)系,用回轉(zhuǎn)器和電容來表征磁件的等效電路[7~11].

根據(jù)表1所示的類比關(guān)系,繞組可以被看作連接磁路與電路的二端口元件,如圖2(a)所示,由法拉第電磁感應(yīng)定律及磁動勢的定義,對N匝繞組有等式


由于φ·和F分別類比于電路中的電流和電壓,上式給出的函數(shù)關(guān)系與電路中的二端口元件——回轉(zhuǎn)器的數(shù)學(xué)模型相一致,因此,可以引入回轉(zhuǎn)器作為繞組的等效電路模型,如圖2(b)所示.用回轉(zhuǎn)器模型表示磁件繞組,電容模型表示磁導(dǎo),繞組匝數(shù)N相當(dāng)于回轉(zhuǎn)電阻,這樣就可以得到磁件的等效電路模型.

顯然,這個等效電路能同時反映磁件的電路和磁路特性,包括繞組的電壓、電流和磁芯的磁通.用電流控制的電壓源代替回轉(zhuǎn)器,可以進(jìn)行電路仿真,如圖2(c).用這種模型進(jìn)行電路仿真時,可以方便地加入磁芯的非線性特性(如磁飽和特性等),使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確.

對比以上兩種建模方法可以看出:

①磁路-電路對偶變換法通過對磁路的對偶變換得到磁鏈與電流的關(guān)系,建立等效電路;磁導(dǎo)-電容類比建模法通過引入回轉(zhuǎn)器作為繞組的等效模型,直接建立磁件的等效電路;

②用磁路-電路對偶變換法推得的磁件等效電路可用于分析磁件的電路與磁路特性,適用于理論分析;

③用磁導(dǎo)-電容類比建模法推出的等效電路,通過回轉(zhuǎn)器、電容表征參數(shù)能同時反映磁件電路與磁路的特性,特別適于磁件的仿真研究.


3.3集成磁件的參數(shù)設(shè)計(jì)

由于集成磁件與一般的分立磁件結(jié)構(gòu)不同,所以在磁芯型號、氣隙大小、導(dǎo)線規(guī)格等參數(shù)的 選擇上存在一定的難度.目前并沒有通用的參數(shù)計(jì)算方法,設(shè)計(jì)者一般根據(jù)實(shí)際的要求選擇設(shè)計(jì)方法.

文獻(xiàn)[12]針對多路輸出時在同一磁芯柱上增加的額外繞組與有限的磁芯窗口面積之間的矛盾,通過給定磁芯繞組的銅損,計(jì)算出磁芯的結(jié)構(gòu)常數(shù),從而得到理想的磁芯型號、氣隙大小、繞組匝數(shù)以及導(dǎo)線規(guī)格.在文獻(xiàn)[13]中,作者分別針對在磁芯中柱和磁芯邊柱開氣隙的兩種情況進(jìn)行磁通分布的分析,確定磁芯型號.文獻(xiàn)[14]通過一種二維極限元分析方法[15],來確定磁芯型號、磁芯氣隙和繞組導(dǎo)線規(guī)格.該方法不僅能用于設(shè)計(jì)階段,還可用于整個變換器的仿真從而驗(yàn)證電路性能.


4 磁集成技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用

4.1磁集成技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用

隨著通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的不斷提高,低壓大電流輸出的開關(guān)電源成為現(xiàn)時開關(guān)電源的熱點(diǎn)產(chǎn)品之一.對于低壓大電流輸出的開關(guān)電源,要提高功率密度,必須減小體積、降低損耗.磁集成技術(shù)因?yàn)闇p小了磁芯的損耗和體積,而受到了廣泛地研究和應(yīng)用.

在這些應(yīng)用中主要包括電感與電感的集成,變壓器與電感的集成,變壓器與變壓器的集成,根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同,繞組的集成方式也不同,圖3是幾種常見的繞組集成方式.當(dāng)然這只是理論上的分析,只有根據(jù)實(shí)際電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)繞組的排列方式才能獲得理想的效果.

4.1.1在正激變換器中的應(yīng)用

正激變換器的磁集成主要是隔離變壓器與濾波電感的集成,對這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集成在文獻(xiàn)[16、17]中都有描述.另外正反激變換器的集成[18、19]也屬于變壓器和電感的集成.在文獻(xiàn)[20]中,作者設(shè)計(jì)了一種磁集成的有源鉗位正激變換器,該變換器提高了工作頻率和功率密度.圖4是正激變換器的集成方式.

4.1.2在半橋變換器中的應(yīng)用

二次側(cè)繞組帶中心抽頭的半橋變換器[21]大大地減小了輸出電感,通過對稱的占空比調(diào)制能容易地實(shí)現(xiàn)ZVS,但其二次側(cè)繞組的電流較大,制作繞組時需要分層繞制,因此,在導(dǎo)線選擇上很難同時滿足小的繞組側(cè)面積和高的工作效率的要求.倍流整流可以解決上述問題,而且特別適于低壓大電流輸出.

4.1.3在倍流整流變換器中的應(yīng)用

用集成磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)的倍流整流變換器[22]將變壓器的二次側(cè)繞組與輸出電感合并,如圖5所示.它的工作模式與普通變換器基本一樣.這種方法可有效地降低成本和銅損,提高工作效率和功率密度.在文獻(xiàn)[23]中作者還推導(dǎo)出了輸出電流紋波的計(jì)算公式,通過合理的參數(shù)選擇可以減小甚至消除輸出紋波.用磁集成技術(shù)設(shè)計(jì)出的變換器的工作效率可達(dá)90 %.文獻(xiàn)[24]在此基礎(chǔ)上提出了新的集成方式,將原邊繞組分繞在磁芯的兩個邊柱上,這種方式可以減小漏感,如圖6所示.




4.1.4在全波電路中的應(yīng)用

全波電路具有高工作效率、高功率密度和低開關(guān)應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn) ,是變換器常見的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).對全波變換器的磁集成也得到了廣泛的研究[24~26].圖7是全波電路的集成方式.

4.2其它方面的應(yīng)用

磁集成技術(shù)除了應(yīng)用于開關(guān)電源,還可用于其它方面,如UPS[27]以及諧振型變換器[28~32].特別是近年來其應(yīng)用主要集中于VRM(voltage regulator modul e)[33~35],由于VRM對輸出紋波精度與響應(yīng)速度的要求很高,磁集成技術(shù)必將受到更大的挑戰(zhàn).






5 結(jié)語

本文綜述了磁集成技術(shù)的基本概念和分析方法,并列舉了其在電力電子中的應(yīng)用研究.總之,隨著磁性器件日益小型化,高頻磁技術(shù)不斷深入,集成磁技術(shù)作為一種能提高磁性器件功率密度,減小磁件體積的應(yīng)用技術(shù)必將在現(xiàn)代電力電子中占有越來越重要的地位,得到越來越廣泛的研究.歐美發(fā)達(dá)國家對磁集成技術(shù)這一前沿課題已展開了深入地研究.而我國對磁集成技術(shù)的研究尚處于起步階段,只有少數(shù)研究者涉足該領(lǐng)域.可以預(yù)見,隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展[36],磁集成技術(shù)將是未來電力電子高頻磁技術(shù)發(fā)展的方向,并為電力電子行業(yè)帶來新的突破與創(chuàng)新.

咋沒消息了，沒人關(guān)心嗎？我覺得滿好的思路呀，LZ可以把資料share一下嗎？謝謝

一張圖都沒看到啊?