集成電感器和用于減小集成電感器中的損耗的方法
【專利摘要】一種集成電感器，包括具有變壓器繞組（L1）和共振電感器（L2）的多繞組電感器。所述變壓器繞組（L1）的磁路的部分（1）、（2）被集成到共振電感器（L2）的至少兩部分（L2A）、（L2B）的磁路中，以便形成所述多繞組電感器（L1）和至少兩部分（L2A）、（L2B）共振電感器（L2）的磁路的公共部分，其中所述多繞組電感器的變壓器繞組（L1）被纏繞在柱（11）周圍，所述柱（11）具有至少一個空氣間隙（G），調(diào)整所述空氣間隙（G）的寬度，使得由所述至少兩部分（L2A）、（L2B）共振電感器（L2）產(chǎn)生的磁電感不超過由所述多繞組電感器的變壓器繞組（L1）產(chǎn)生的磁電感的25%。
【專利說明】集成電感器和用于減小集成電感器中的損耗的方法
[0001]說明書【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及在確保鐵磁芯的最小損耗的共振能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的集成電感器以及用于減小集成電感器中的損耗的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]盡管共振能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有一些優(yōu)點，例如正弦電流、軟切換能力、寬操作頻率范圍等，但其取代基于硬切換的傳統(tǒng)方案的速度較緩慢。原因在于，在共振電路中，峰電流值在實質(zhì)上超過了最大負(fù)載電流。因此，電容器和電感器兩者的電抗元件應(yīng)被設(shè)計為存儲相對較大量的能量。這個問題可以通過增加電抗元件的重量和尺寸來解決。但是，這樣的方法在經(jīng)濟(jì)上并不可行，因為其需要額外的開銷并導(dǎo)致較高的價格。另一個不好的影響在于能量效率的降低，因為共振能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電感元件的尺寸的增加會導(dǎo)致繞組中相當(dāng)大量的損耗，特別是在IOOkHz以上的頻率時。而且，增加鐵磁芯尺寸并保持磁通量密度的rms值恒定是導(dǎo)致?lián)p耗隨芯體積線性增加的原因。近來，由于電價增高且法規(guī)措施著重于限制用電量及其合理使用，因此能量效率變?yōu)橛绊懰岱桨傅臐撛诔晒Φ闹匾獏?shù)。
[0004]美國專利N0.5，886，516提出了一種用于串聯(lián)共振轉(zhuǎn)換器中的操作的集成多繞組磁元件，其中在單個的“UU”間隙的磁芯上，設(shè)置了隔離變壓器的兩個繞組和構(gòu)成共振電路的兩個電感元件的兩個額外的繞組。該組件構(gòu)成了包括三個電感、兩個電容和隔離變壓器的共振電路。
[0005]根據(jù)美國專利N0.5，726，615已知的集成磁裝置包括三個鐵磁壺形芯，其中的兩個鐵磁壺形芯具有中央芯柱，所述中央芯柱攜帶在這些柱周圍設(shè)置的兩個扁平繞組。這兩個電感元件構(gòu)成變壓器。第三個鐵磁壺形芯具有較短的中央芯柱，在所述中央芯柱周圍放置有扁平繞組。鄰近變壓器的扁平外表面的第三芯條允許形成第三電感元件。第三電感元件通過空氣間隙部分磁耦接到另一個繞組，所述第三電感元件被定相為使得磁感應(yīng)的方向與未間隙的磁路中的磁感應(yīng)的方向相同。
[0006]美國專利N0.7，525，406提出了這樣一種結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括多個耦合和未耦合的電感元件和至少一個閉合的磁路，所述磁路包括相互相鄰的磁元件，所述磁元件具有用于在X軸和垂直的Y軸上的電流導(dǎo)體的溝槽。沿著同一個軸布置的電流導(dǎo)體顯現(xiàn)了互感，但相互正交軸之間的電流導(dǎo)體并未顯現(xiàn)互感。
[0007]波蘭專利申請N0.393133提出了一種用于增加由集成電感器傳輸?shù)墓β实姆椒?，其特征在?將集成電感器的繞組彼此相對正交地放置，并且選擇電感元件值，使得通過傳輸主磁通量的主磁路的至少一部分來傳輸輔助磁路的磁通量，同時兩個磁電感矢量彼此相對正交地取向，并且在時間上變化的兩個磁電感矢量在時間域中相對于彼此偏移。
[0008]在文獻(xiàn)“ IMHz-1kW LLC Resonant Converter with IntegratedMagnetics" , Zhang, Yanjun Xu, Dehong Mino, Kazuaki Sasagawa, Kiyoaki, Applied PowerElectronics Conference, APEC2007-Twenty Second Annual IEEE, Feb.25 2007-MarchI2007，pp.955-961中，描述了一種集成磁模塊,其中磁電感補償?shù)膮^(qū)域被限制到一小部分的磁芯體積。此外，在該元件中，存在如下問題:相對于變壓器電感值的大共振電感值；并且存在如下的相對較大的影響:增加來自磁路的空氣間隙的處于磁場中的銅繞組的電阻。
[0009]在文獻(xiàn) “Planar Integrated Magnetics Design in Wide Input RangeDC-DC Converter for Fuel Cell Application，，，Ziwei Ouyang, Zhe Zhang, OleC.Thomsen, Michael A.E.Andersen, Ole Poulsen, Thomas Bjorkluild, Energy ConversionCongress and Exposition(ECCE)，2010IEEE: 12-16S印t.2010, pp.4611-4618 中，還描述了一種集成磁模塊，在所述集成磁模塊中，磁電感補償?shù)膮^(qū)域被限制到小部分的磁芯體積。在該方案中，出現(xiàn)所謂的熱點，其中總計由集成磁路的電感元件產(chǎn)生的磁電感矢量。
[0010]上述示例說明了要在共振DC/DC轉(zhuǎn)換器中使用的集成電抗。但是，所述集成電抗并不完全使用多繞組電感器作為共振能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的輸出變壓器，并且因此共振電路的電感元件中的熱損耗的減小。
[0011]因此，期望開發(fā)出這樣的集成電抗元件，其特征在于其共振電路電感元件中的熱損耗減小，并且適合于在共振DC/DC轉(zhuǎn)換器中使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的一個目的在于一種集成電感器，包括具有變壓器繞組和共振電感器的多繞組電感器，其中所述變壓器繞組的磁路的部分被集成到共振電感器的至少兩部分的磁路中，以便形成所述多繞組電感器和至少兩部分共振電感器的磁路的公共部分，其中所述多繞組電感器的變壓器繞組被纏繞在柱周圍，所述柱具有至少一個空氣間隙，調(diào)整所述空氣間隙的寬度，使得由所述至少兩部分共振電感器產(chǎn)生的磁電感不超過由所述多繞組電感器的變壓器繞組產(chǎn)生的磁電感的25%。
[0013]優(yōu)選地，所述多繞組電感器的變壓器繞組被以單層纏繞在所述柱的周圍。
[0014]優(yōu)選地，所述多繞組電感器的變壓器線圈是在所述柱周圍纏繞的傾斜繞組。
[0015]優(yōu)選地，其上被纏繞了所述多繞組電感器的變壓器繞組的所述柱在其末端包括兩個空氣間隙。
[0016]優(yōu)選地，所述集成電感器包括磁芯條，所述磁芯條構(gòu)成具有平行的柱的磁路，所述平行的柱與軛磁連接，并且所述多繞組電感器的變壓器繞組被纏繞在與其上纏繞有所述共振電感器的繞組的柱平行的柱上。
[0017]優(yōu)選地，所述集成電感器還包括與所述軛平行的柱以及所述共振電感器的其他繞組，其中所述其他繞組被纏繞在所述柱的周圍。
[0018]優(yōu)選地，所述集成電感器包括在具有所述變壓器繞組的柱周圍沿周向布置的磁芯條，其中所述共振電感器的繞組被纏繞在所述磁芯條上。
[0019]本發(fā)明的另一個目的在于一種包括根據(jù)本發(fā)明的集成電感器的共振電源，其中所述多繞組電感器用作輸出變壓器，并且所述電感元件通過所述共振電感器與晶體管開關(guān)串行連接。
[0020]本發(fā)明還涉及一種用于減小集成電感器中的損耗的方法，所述集成電感器包括具有變壓器繞組和共振電感器的多繞組電感器，其中所述變壓器繞組的磁路的部分被集成到所述共振電感器的至少兩部分的磁路中，以便形成所述多繞組電感器和至少兩部分共振電感器的磁路的公共部分，其中，所述多繞組電感器的變壓器繞組被纏繞在柱周圍，所述柱具有至少一個空氣間隙，調(diào)整所述空氣間隙的寬度，使得由所述至少兩部分共振電感器產(chǎn)生的磁電感不超過由所述多繞組電感器的變壓器繞組產(chǎn)生的磁電感的25%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]通過關(guān)于附圖的示例性實施例來示出本發(fā)明，在附圖中:
[0022]圖1示出了根據(jù)第一實施例的基于集成電感器ZER的具有質(zhì)量因素限制器的多共振電源的半橋結(jié)構(gòu)。
[0023]圖2示出了集成電感器的第一實施例，其中由也用作輸出變壓器的多繞組電感器產(chǎn)生的可變磁電感和由共振電感器產(chǎn)生的可變磁電感被取向為相對于彼此平行，使得所得到的兩個磁電感的時間可變矢量獲取其最小值。
[0024]圖3示出了根據(jù)第一實施例的集成電感器中的磁電感分布的示例性仿真，其中在共振電感器中流動的電流L2=L2A+L2B等于0個任意單位，而LI線圈中流動的電流等于
0.67個任意單位。磁芯的中央柱集成了空氣間隙。
[0025]圖4示出了根據(jù)第一實施例的集成電感器中的磁電感分布的示例性仿真，其中共振電感器中的電流L2=L2A+L2B等于I個任意單位，而LI線圈中的電流等于0.67個任意單位。磁芯中央柱集成了空氣間隙并且選擇電流的方向，使得它們在相位上相反(180°相位偏移)。
[0026]圖5示意性地示出了集成電感器的第二實施例，并且圖6示出了共振電源電路中其應(yīng)用的示例。
[0027]圖7示意性地示出了集成電感器的第三實施例，并且圖8示出了共振電源電路中其應(yīng)用的示例。
[0028]圖9示意性地示出了集成電感器的空間結(jié)構(gòu)的第四實施例。
【具體實施方式】
[0029]圖1示出了共振模式電源電路中根據(jù)本發(fā)明的集成電感器的應(yīng)用的第一示例。集成電感器ZERl包括由串聯(lián)連接的兩個電感元件L2A和L2B構(gòu)成的共振電感器L2和多繞組電感器，該多繞組電感器也用作輸出變壓器，包括具有公共磁路的三個電感元件L1、L3、L4。電感元件LI通過電感器L2=L2A+L2B與電阻器開關(guān)Kl、K2串聯(lián)連接；輸出繞組L4和質(zhì)量因素限制器繞組L3和電感器L5連接到二極管電壓限制器H)l。初級繞組還連接到電容電路C2=C2A+C2B。由于電容電路C2=C2A+C2B與電感器L2=L2A+L2B的串聯(lián)連接，因此所得到的這些元件的阻抗在很大程度上取決于頻率，其允許控制被提供給多繞組電感器的次級繞組L4的電壓。由于處于共振，多繞組電感器的繞組處的電壓值可以實現(xiàn)高值，已經(jīng)采用了用于限制能力佳的電路，其形成與電感器L5和二極管viotabe限制器PDl相連接的控制繞組L3。
[0030]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的集成電感器的第一實施例。集成電感器包括兩個“E”形的芯條(利用它們的被結(jié)合在一起的引線組裝)和兩個“U”形的芯條(其引線被接合到所述兩個“E”形芯條的拐角)。這些芯條構(gòu)成了相對于彼此平行的柱11、12、13、14、15，而多繞組電感器繞組LI繞在柱11周圍。中間的柱12、13不具有繞組。在外部繞組14、15周圍，纏繞有兩部分的共振電感器L2的繞組L2A、L2B。通過閉合磁路的軛21、22來連接柱11_15。這樣的配置確保了來自多繞組電感器的最小的漏通量，而主通量在“E”芯條中閉合。此外，多繞組電感器磁路包括至少一個空氣間隙G，所述空氣間隙G能夠控制磁芯中的最大磁電感值、以及因此在芯中發(fā)生的功率損失。選擇空氣間隙G的寬度，從而由至少兩部分L2A、L2B的共振電感器L2產(chǎn)生的磁電感不會超過由多繞組電感器的變壓器繞組LI產(chǎn)生的磁電感的25%。此外，這樣的具有單層、優(yōu)選傾斜的、在空氣間隙上有間斷的繞組的構(gòu)造最小化了磁元件之間的磁耦合，這確保了繞組的對稱，并且最小化了與空氣間隙周圍的磁場的影響相關(guān)聯(lián)的損耗。共振電感器繞組利用兩個“ U ”形芯條，在所述兩個“ U ”形芯條上放置有繞組L2A和L2B。在圖3和圖4所示的實施例中，以利用指示方向的箭頭的虛線繪制的曲線的形式來示出由集成電感器繞組產(chǎn)生的磁電感的優(yōu)選方向，同時在圖3中，電流僅流過元件LI，而在圖4中，電流流過元件LI和L2。圖2所示的集成電感器的有益特征在于容易調(diào)整到通過適當(dāng)尺寸的典型的磁元件傳輸?shù)墓β实牟煌?。由于多繞組電感器繞組LI相對于共振電感器繞組L2A和L2B平行放置，因此由這些繞組產(chǎn)生的磁電感也被平行取向。圖2中并未示出通常被纏繞在LI繞組上的繞組L3以增加其清晰度。此外，根據(jù)通過在共振模式電源中集成的電抗元件的相關(guān)值的適當(dāng)選擇或適當(dāng)拓?fù)涞倪x擇來實現(xiàn)的兩個磁電感矢量之間的相位偏移，可以在特定的范圍內(nèi)減少磁電感的幅度，并且因此能夠?qū)崿F(xiàn)磁芯中的損耗的減少。出于此目的，選擇在磁路的所選擇的部分中疊加的磁電感之間的相位偏移，以實現(xiàn)可能的最小損耗。優(yōu)選地，通過電感器LI和L2產(chǎn)生的磁電感之間的相位偏移基板上為180。。
[0031]眾所周知，通過以下公式來描述鐵磁芯中的損耗:
「QQ321 P ——p+P+P
L」 "1V 1 V, histerezy 1 V, prqrq-wirowe 1 V, resztkowe
[0033]鐵磁芯中的損SPv (B，f, T)主要取決于磁電感B、磁場頻率f?和芯溫度T，而且:
[0034]Pv(B) ^ B2' 其中 y G [0，I],
[0035]Pv (f) ^ f1+x，其中 X G [0，I],
[0036]Pv(T)獲得其接近90°C的最小值。
[0037]在根據(jù)圖1的共振模式電源中，可以實現(xiàn)電感L2A和L2B中的電流和多繞組電感器繞組LI中的電流之間的約+/-90°的恒定相位偏移。假定磁電感矢量的幅度相等，所得到的其中疊加了兩個磁通量的磁路部分中的磁電感幅度是:
【權(quán)利要求】
1.一種集成電感器，包括具有變壓器繞組(LI)和共振電感器(L2)的多繞組電感器，其特征在于，所述變壓器繞組(LI)的磁路的部分(I)、(2)被集成到所述共振電感器(L2)的至少兩部分(L2A)、(L2B)的磁路中，以便形成所述多繞組電感器(LI)和至少兩部分(L2A)、(L2B)共振電感器(L2)的磁路的公共部分，其中所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)被纏繞在柱(11)周圍，所述柱(11)具有至少一個空氣間隙(G)，調(diào)整所述空氣間隙(G)的寬度，使得由所述至少兩部分(L2A)、(L2B)共振電感器(L2)產(chǎn)生的磁電感不超過由所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)產(chǎn)生的磁電感的25%。
2.如權(quán)利要求1所述的集成電感器，其特征在于，所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)被以單層纏繞在所述柱(11)的周圍。
3.如權(quán)利要求2所述的集成電感器，其特征在于，所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)是在所述柱(11)周圍纏繞的傾斜繞組。
4.如上述任一權(quán)利要求所述的集成電感器，其特征在于，被纏繞了所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)的所述柱(11)在其末端包括兩個空氣間隙(G1)。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的集成電感器，其特征在于，所述集成電感器包括磁芯條，所述磁芯條構(gòu)成具有平行的柱(11-15)的磁路，所述平行的柱(11-15)與軛(21、22)磁連接，并且所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)被纏繞在與在其上纏繞有所述共振電感器的繞組(L2A)、(L2B)的柱(14、15)平行的柱(11)上。
6.如權(quán)利要求5所述的集成電感器，其特征在于，所述集成電感器還包括與所述軛(12,13)平行的柱(16，17)以及所述共振電感器(L2)的其他繞組(L2C、L2D)，其中所述其他繞組(L2C、L2D)被纏繞在所述柱的周圍。
7.如上述任一權(quán)利要求所述的集成電感器，其特征在于，所述集成電感器包括在具有所述變壓器繞組(LI)的柱(11)周圍沿周向布置的磁芯條(31-36)，其中所述共振電感器(L2)的繞組(124、128、12(:、120、12￡、12?)被纏繞在所述磁芯條(31-36)上。
8.—種包括如權(quán)利要求1-7中的任一項所述的集成電感器的共振電源，其中所述多繞組電感器用作輸出變壓器，并且所述電感元件(LI)通過所述共振電感器(L2)與晶體管開關(guān)(K1、K2)串行連接。
9.一種用于減小集成電感器中的損耗的方法，所述集成電感器包括具有變壓器繞組(LI)和共振電感器(L2)的多繞組電感器，其中所述變壓器繞組(LI)的磁路的部分(I)、(2)被集成到所述共振電感器(L2)的至少兩部分(L2A)、(L2B)的磁路中，以便形成所述多繞組電感器(LI)和至少兩部分(L2A)、(L2B)共振電感器(L2)的磁路的公共部分，其特征在于，所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)被纏繞在柱(11)周圍，所述柱(11)具有至少一個空氣間隙(G)，調(diào)整所述空氣間隙(G)的寬度，使得由所述至少兩部分(L2A)、(L2B)共振電感器(L2)產(chǎn)生的磁電感不超過由所述多繞組電感器的變壓器繞組(LI)產(chǎn)生的磁電感的25%。
【文檔編號】H01F27/38GK103635979SQ201280014354
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】切扎里·沃雷克, 斯瓦沃米爾·利根扎 申請人:克拉科夫大學(xué)