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CN110581003A - 一种变压器和电感磁集成结构 - Google Patents

一种变压器和电感磁集成结构 Download PDF

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CN110581003A CN201910884148.9A CN201910884148A CN110581003A CN 110581003 A CN110581003 A CN 110581003A CN 201910884148 A CN201910884148 A CN 201910884148A CN 110581003 A CN110581003 A CN 110581003A
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吴红飞
汤欣喜
花文敏
刘越
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Abstract

本发明公开了一种变压器和电感磁集成结构，属于电力电子技术领域。所述的一种变压器电感磁集成结构由一副至少含有4个磁柱的磁芯、初级绕组以及次级绕组构成；既能将一个变压器和两个电感集成在一个磁芯中，又能实现绕组结构的灵活配置，可以实现任意的变压器匝比和任意的励磁电感、漏感比，还能降低磁芯损耗、提高效率，同时，集成结构大大减小了功率磁件的体积重量，有助于提高变换器功率密度。本发明特别适用于双向CLLC谐振变换器等各类利用变压器、电感进行高频、高效、高功率密度功率变换的应用场合。

Description

一种变压器和电感磁集成结构
技术领域
本发明涉及一种变压器和电感磁集成结构，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展、SiC和GaN等高频开关器件的诞生，高频化、集成化和模块化已经成为开关电源的发展趋势。事实表明，提高开关频率，能够减小设备体积，提高功率密度和可靠性，降低开关噪声。谐振变换器以其出色的软开关、高效率、高功率密度等特性而获得工业界青睐，被广泛应用于服务器电源、新能源电动汽车充电桩等场合。而其中，CLLC谐振变换器由于其结构的对称性，可以实现双向功率传输，且能够在全负载范围内实现软开关，因此在电池充放电、车联网(V2G)等领域得到广泛应用。但是由于CLLC变换器一次侧和二次侧均存在一个谐振电感，不利于功率密度的提高。为了进一步提高变换器的功率密度，采用磁集成技术，把变压器和两个谐振电感集成到一个磁芯中，成为行之有效的手段之一。
文献“Gang Liu，Dan Li，Jianqiu Zhang，Bo Hu and Minli.Jia，″BidirectionalCLLC resonant DC-DC converter with integrated magnetic for OBCM application[C]//IEEE International Conference on Industrial Technology(ICIT)，Seville，2015，pp.946-951.”针对CLLC变换器提出了磁集成方案，通过降低初级绕组和次级绕组的耦合程度，把两个谐振电感集成到变压器中。但是这种方法磁芯结构不是最优，也难以控制励磁电感和漏感的大小，初级和次级的两个电感感值更无法做到相等。而文献“Bin Li，Qiang Li and Fred C.Lee.High-Frequency PCB Winding Transformer WithIntegrated Inductors for a Bi-Directional Resonant Converter[J].IEEETransactions on Power Electronics，vol.34，no.7，pp.6123-6135，July 2019.”针对三相CLLC系统提供了另一种思路，将变压器分为两个部分，这两部分的初级绕组和次级绕组成对称关系，利用磁芯中柱对磁路进行解耦，降低初级绕组、次级绕组的耦合程度，从而实现两个漏感的集成，这种方法可以实现对变压器励磁电感和漏感的控制，且初级和次级漏感大小相等。但是这种方法依赖于磁芯中柱进行解耦，磁芯利用率不高，而且磁芯中柱上的磁通很大，损耗较大，仍有进一步提升的空间。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种磁集成单变压器和双电感结构，既能将一个变压器和两个电感集成在一个磁芯中，又方便控制漏感，同时还能优化磁通分布，降低磁滞损耗，大大减小功率变换器磁件的体积，提高功率密度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
所述一种变压器和电感磁集成结构由磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成，其中，绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNk1(Np≥1，Nk1≥0)，次级绕组匝数为NsNk2(Ns≥1，Nk2≥0，Nk1+Nk2≥1)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNk2，次级绕组匝数为NsNk1。
所述一种变压器和电感磁集成结构中，至少存在一对磁柱，其两个磁柱上的初级绕组和次级绕组匝数之比不相等。
每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同；各对磁柱的截面积可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的截面积和绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱可以相同，也可以不同。
每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同；各对磁柱的气隙长度可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的气隙长度和绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱可以相同，也可以不同。
绕组可采用平面型绕组和卷绕式绕组。
本发明技术方案与既有技术方案的本质区别在于，通过引入多组磁柱，在每个磁柱上分布绕制不同比例的初级绕组和次级绕组，降低初级绕组和次级绕组的耦合程度，达到集成变压器和电感的目的，同时还能实现任意的匝比以及任意的励磁电感、漏感比。
假设绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNk1(Np≥1，Nk1≥0)，次级绕组匝数为NsNk2(Ns≥1，Nk2≥0，Nk1+Nk2≥1)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNk2，次级绕组匝数为NsNk1；每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同，磁柱横截面接为Ak；每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同，气隙长度为δk；则所述集成变压器的匝比为Np/Ns。
所述一种变压器和电感磁集成结构中，至少存在一对磁柱，其两个磁柱上的初级绕组和次级绕组匝数之比不相等，即存在第j对磁柱，其初级绕组匝数和次级绕组匝数满足Nj1≠Nj2，则初级绕组和次级绕组均存在漏感，且初级绕组漏感和次级绕组漏感的比值为Np 2/Ns 2。
特别的，当所有磁通方向向上的初级绕组匝数和磁通向下的初级绕组匝数相同时，或者当存在既没有初级绕组也没有次级绕的磁柱没有设置气隙时，各磁柱磁通之间相互解耦，没有耦合关系；忽略铁心的磁阻和空气漏磁通，则初级绕组励磁电感表达式可以简化为式(1)，初级绕组漏感如式(2)所示，次级绕组漏感如式(3)所示。
式中，Rk＝δk/(μ0Ak)为第k个磁柱的磁阻，μ0为空气磁导率。
本发明具有如下有益效果：
(1)同时集成一个变压器和两个电感，可以大大减小了功率磁件的体积重量，提高变换器功率密度，特别适用于双向CLLC谐振变换器等各类利用变压器、电感进行高频、高效、高功率密度功率变换的应用场合；
(2)磁芯结构灵活配置，可以实现任意的变压器匝比和任意的励磁电感、漏感比；
(3)多个磁柱的引入，可以充分优化绕组结构，优化磁通路径，当相邻磁柱的磁通方向相反、且能相互抵消时，磁芯损耗最低，效率最高。
附图说明
附图1是现有双向CLLC谐振变换器原理图；
附图2是本发明的一种变压器和电感磁集成结构示意图；
附图3是本发明的一种变压器和电感磁集成结构一对基本单元的初级绕组示意图；
附图4是本发明的一种变压器和电感磁集成结构一对基本单元的次级绕组示意图；
附图5是本发明的一种四磁柱集成平面变压器应用实例图；
附图6是本发明的一种四磁柱集成平面变压器初级绕组磁通分布图；
附图7是本发明的一种四磁柱集成平面变压器次级绕组磁通分布图；
附图8是本发明的一种四磁柱集成平面变压器磁通分布图；
附图9是本发明的一种四磁柱集成平面变压器磁通分布仿真结果图；
附图10是本发明的一种四磁柱集成平面变压器等效电路图；
附图11是本发明的一种四磁柱集成平面变压器未优化的磁通分布图；
附图12是本发明的一种圆形集成变压器磁芯结构图；
附图13是本发明的一种矩阵型集成变压器磁芯结构图；
附图14是本发明的一种非平面变压器磁芯结构图；
以上附图中的符号名称：Uin为输入侧直流电源，Uo为输出侧直流电源，Sp1、Sp2、Sp3、Sp4为初级开关管，Ss1、Ss2、Ss3、Ss4为次级开关管，Crp为初级谐振电容，Crs为次级谐振电容，Lrp为初级谐振电感，Lrs为次级谐振电感，T为变压器，up为初级激励电压，us为次级激励电压，ip为初级电流，is为次级电流，k1、k2分别为第k对磁柱的第一磁柱和第二磁柱，NpNk1、NpNk2分别为第k对磁柱的第一磁柱和第二磁柱初级绕组匝数，NsNk2、NsNk1分别为第k对磁柱的第一磁柱和第二磁柱次级绕组匝数。
具体实施方式
附图1是现有的双向CLLC谐振变换器未集成前的原理图，包含一个变压器和两个电感，为了减小体积，提高效率，本发明采用磁集成技术，把变压器和两个电感同时集成到一个磁芯中。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，所述一种变压器和电感磁集成结构由磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成，其中，绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNk1(Np≥1，Nk1≥0)，次级绕组匝数为NsNk2(Ns≥1，Nk2≥0，Nk1+Nk2≥1)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNk2，次级绕组匝数为NsNk1，初级绕组示意图如图3所示，次级绕组示意图如图4所示；至少存在一对磁柱，其两个磁柱上的初级绕组和次级绕组匝数之比不相等，即存在第j对磁柱，其初级绕组匝数和次级绕组匝数满足Nj1≠Nj2；每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同；每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱形状相同；每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同；则所述集成变压器的匝比为Np/Ns，初级绕组和次级绕组均存在漏感，而且初级绕组漏感和次级绕组漏感的比值为Np 2/Ns 2。
下面以图5所示的一种四磁柱集成平面变压器为例，说明本发明的工作原理。其由一副含有四个磁柱的磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成；四个磁柱截面积相同，气隙相同；1号磁柱到4号磁柱上初级绕组Np匝数依次为4匝、2匝、2匝、4匝，而1号磁柱到4号磁柱上次级绕组匝数依次为2匝、4匝、4匝、2匝；1号、2号磁柱初级、次级绕组均按顺时针方向绕制，3号和4号磁柱初级、次级绕组按逆时针方向绕制，初级绕组的磁通分布如图6所示，次级绕组的磁通分布如图7所示，图中符号“×”表示磁通方向为由外而内，符号“·”表示磁通方向由内而外，符号的数量表示磁通的大小，符号“*”表示同名端；综合考虑初级绕组和次级绕组的作用效果，总磁通分布情况如8所示，图8中的箭头表示图5中下方磁芯的磁通方向；仿真结果如图9所示，磁场分布较为均匀；按照这种方法绕制出来的变压器匝比为1∶1，初级绕组和次级绕组的漏感大小相同，且励磁电感和漏感的比值为4，其等效电路如图10所示。
按照这种方法绕制出来的变压器磁通分布均匀，相邻磁柱之间的磁通方向相反，能够相互抵消，损耗最低；若交换任意两个相邻磁柱的顺序，譬如交换1号磁柱和2号磁柱，则磁通分布情况会发生变化，如图11所示，磁通集中在两侧，损耗偏大。
除了上述磁芯结构外，本发明所涉及的磁芯结构不限于图2、图5所示的结构，还可以是图12所示的圆形结构、图13所示的矩阵式结构、图14所示的非平面变压器结构，以及其他任意结构；而且构成一对基本单元的两个磁柱不必放置在一起，绕组排列方式、连接顺序可以任意更改，不受图2、图5限制，但应以优化磁场分布、降低损耗为目的。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：
所述一种变压器和电感磁集成结构由磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成，其中，绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNk1(Np≥1，Nk1≥0)，次级绕组匝数为NsNk2(Ns≥1，Nk2≥0，Nk1+Nk2≥1)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNk2，次级绕组匝数为NsNk1。
2.根据权利要求1所述的一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：所述一种变压器和电感磁集成结构中，至少存在一对磁柱，其两个磁柱上的初级绕组和次级绕组匝数之比不相等。
3.根据权利要求1所述的一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同；各对磁柱的截面积可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的截面积和绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱可以相同，也可以不同。
4.根据权利要求1所述的一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同；各对磁柱的气隙长度可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的气隙长度和绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱可以相同，也可以不同。
5.根据权利要求1所述一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：绕组可采用平面型绕组和卷绕式绕组。
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