一種交錯并聯(lián)變換器的磁耦合電感器及其磁芯的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種針對交錯并聯(lián)方式工作的功率變換器的磁耦合電感器及其磁芯。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的發(fā)展，對功率變換器的要求越來越嚴格，需要更低的輸入或輸出電壓、更大的電流、更快的動態(tài)響應、更小的體積。為了滿足這些要求，新的技術不斷被提出和應用。
交錯并聯(lián)技術于上世紀60年代最早被提出，并得到了廣泛的應用。采用交錯并聯(lián)技術可以有效的降低輸入輸出電流紋波的幅值；同時采用幾個較小的電感來代替?zhèn)鹘y(tǒng)變換器中大而笨重的主電感，可以提高變換器的動態(tài)響應速度，減小電感的體積，增加功率密度。圖1為兩路Boost電路交錯并聯(lián)工作原理圖。雖然交錯并聯(lián)技術降低了總的輸入輸出電流紋波，但是如果使用較小的感量，則每個通道內的電感電流仍然存在較大的紋波，這樣功率開關管上的導通損耗與開關損耗和電感中的磁芯損耗將會較大，同時，使用交錯并聯(lián)技術會增加電感器的數(shù)量增加電路復雜度。
為了簡化變換器中磁性器件，有學者提出了在交錯并聯(lián)變換器中使用非耦合的集成電感以降低磁性元件的數(shù)量，即將兩個180°交錯并聯(lián)的獨立電感集成在單對的E-E或者E-1磁芯中，其磁集成方式有正向磁集成和反向磁集成兩種，其演化可以用圖2 (a)和圖2 (b)來解釋。這種磁集成方式，由于中柱沒有氣隙，僅為低磁阻的磁路，因此兩個集成的磁通并未產(chǎn)生耦合。這種非耦合的集成方式在一定程度上簡化了磁芯的結構，但是并未改善電感器的動態(tài)響應速度和穩(wěn)態(tài)特性，同時這種集成方式對中柱來講缺點也很明顯。正向磁集成中柱磁芯的交流磁通變小，所以中柱上的損耗會減小，然而中柱的直流磁通為兩邊柱磁通之和，所以中柱更容易飽和；反向磁集成中柱的直流磁通會很小，避免了磁芯的飽和，但是其交流磁通幅值會顯著變大，使得磁芯損耗增加。圖3 (a)和圖3 (b)給出了兩種磁集成方式對應的邊柱和中柱的磁通情況。同時，這種非耦合的集成方式使用的磁芯不是標準品，兩個邊柱的氣隙需要精確的調整，批量生產(chǎn)成本高；另外由于機械不穩(wěn)定的原因，在大負載時容易產(chǎn)生噪音。
為了改進非耦合集成磁芯結構上的不穩(wěn)定性，同時滿足電感器穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，提出了耦合的磁集成技術，即在中柱磁性上增加氣隙，增加中柱磁芯的磁阻，讓兩個集成的電感器相互耦合。該耦合的磁集成技術一方面由于增加了中柱氣隙，使得兩個邊柱的氣隙填充精度無需太高，這樣可以保證機械穩(wěn)定性；另一方面，通過調節(jié)集成磁性元件的親合度來匹配變換器的實際工作時開關的占空比，使其既能得到較快的動態(tài)特性同時又能保證良好的穩(wěn)態(tài)性能。圖4 (a)和圖4 (b)給出了正向親合集成和反向親合集成兩種方式的示意圖。由于兩個耦合電感之間互感的存在，反向磁耦合集成電感器能夠形成較小的瞬態(tài)等效電感和更大的穩(wěn)態(tài)等效電感，在設計耦合電感時通過調整耦合度K匹配功率變換器工作時的占空比D，從而調整相應的等效電感值，改善動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。而耦合度K受邊柱和中柱磁芯磁阻的大小共同影響，所以使用平時我們設計電感時常采用的E-E型或者E-1型等標準磁芯來設計磁耦合集成電感有很大的限制，對耦合度K的調節(jié)不夠靈活，缺少對磁芯結構的優(yōu)化。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明針對在磁耦合集成電感器設計過程中出現(xiàn)的由于磁芯選擇而造成的耦合度K調節(jié)不靈活、磁芯結構優(yōu)化困難的不足，提出一種應用于交錯并聯(lián)功率變換器的磁耦合集成電感器及其磁芯。
為了達到上述目的，本發(fā)明的一個技術方案是提供了一種磁芯，其特征在于:包括上下布置的上磁芯及下磁芯、位于中部的中柱磁芯和位于中柱磁芯左右兩側的邊柱磁芯，所有的上磁芯及下磁芯具有第一磁導率，所有的邊柱磁芯具有第二磁導率，所有的中柱磁芯具有第三磁導率，通過調節(jié)第一磁導率、第二磁導率、第三磁導率和/或上磁芯、下磁芯、中柱磁芯及邊柱磁芯的尺寸來調節(jié)耦合度。
優(yōu)選地，所有所述上磁芯及下磁芯分別獨立形成上板及下板，所述中柱磁芯及所述邊柱磁芯位于上板與下板間，且所述中柱磁芯及所述邊柱磁芯的高度等于上板與下板間的間距。
優(yōu)選地，所述中柱磁芯和/或所述邊柱磁芯的上下兩端分別與所述上磁芯及所述下磁芯共同形成上板及下板，所述中柱磁芯和所述邊柱磁芯的除包含在上板及下板內的部分外的剩余部分位于上板與下板間。
本發(fā)明的另一個技術方案是提供了一種交錯并聯(lián)變換器的磁耦合電感器，其特征在于，包括上述的磁芯及線圈，在磁芯的每個所述邊柱磁芯上均套有線圈。
本發(fā)明針對目前磁耦合集成電感器設計中存在的磁芯可選范圍小、耦合度K調節(jié)靈活度低、磁芯結構優(yōu)化難、批量生產(chǎn)成本高等問題，提出了一種不同磁材、不同磁導率、不同尺寸磁芯相互搭配的耦合電感磁芯組合方案，使得磁耦合集成電感器的磁芯選型范圍廣、耦合度K調節(jié)靈活方便，電感器的磁芯結構可以得到優(yōu)化，批量生產(chǎn)成本降低。
【附圖說明】
[0004]圖1為兩路Boost電路交錯并聯(lián)工作原理圖；
圖2 Ca)為正向磁集成演化示意圖；
圖2 (b)為反向磁集成演化示意圖；
圖3 (a)為正向磁集成對應的邊柱和中柱的磁通情況；
圖3 (b)為反向磁集成對應的邊柱和中柱的磁通情況；
圖4 Ca)為正向親合集成不意圖；
圖4 (b)為反向親合集成不意圖；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例一的磁耦合電感器的縱截面示意圖；
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例二的磁耦合電感器的縱截面示意圖；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例三的磁耦合電感器的縱截面示意圖；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實施例四的磁耦合電感器的縱截面示意圖；
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實施例一的磁耦合電感器的縱截面在一工作狀態(tài)下的磁通流動示意圖； 圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實施例一的磁耦合電感器的縱截面在另一工作狀態(tài)下的磁通流動示意圖；
圖11給出了兩種三個交錯并聯(lián)工作的電感耦合中的一種方式；
圖12給出了兩種三個交錯并聯(lián)工作的電感耦合中的另一種方式。
【具體實施方式】
[0005]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0006]實施例一
如圖5所示，本實施例中的磁耦合電感器100包含兩個線圈105和磁芯。磁芯包括上板101、下板102、兩個邊柱磁芯103和中柱磁芯104。其中，上板101和下板102可以是具有第一磁導率的一個獨立磁芯，也可以是多塊磁芯拼接而成具有等效第一磁導率的磁芯，用來拼接上下板的多個磁芯的磁導率可以相同也可以不同；兩個邊柱磁芯103可以是具有第二磁導率的一個獨立磁芯，也可以是多個磁芯拼接而成具有等效第二磁導率的磁芯，用來拼接兩個邊柱磁芯103的多個磁芯的磁導率可以相同也可以不同；中柱磁芯104可以是具有第三磁導率的一個獨立磁芯，也可以是多個磁芯拼接而成具有等效第三磁導率的磁芯，用來拼接中柱磁芯104的多個磁芯的磁導率可以相同也可以不同。兩個邊柱磁芯103和中柱磁芯104的高度等于上板101和下板102之間的距離。兩個線圈105分別套在兩個邊柱磁芯103上，共同構成耦合電感器。
在本實例中，上板101、下板102、兩個邊柱磁芯103和中柱磁芯104的磁材料和磁導率有兩種搭配方式。一種是:上板101和下板102的材料為高磁導材料，可以是非晶材料、納米晶材料、鐵氧體材料或者娃鋼材料，兩個邊柱磁芯103和中柱磁芯104的材料是低磁導材料，可以是鐵硅材料、鐵硅鋁材料非晶粉末等，兩個邊柱磁芯103和中柱磁芯104的材料可以相同也可以不同，磁導率大小根據(jù)實際需要來調節(jié)；另一種是:兩個邊柱磁芯103的材料為高磁導材料，可以是非晶材料、納米晶材料、鐵氧體材料或者硅鋼材料，上板101、下板102和中柱磁芯104的材料是低磁導材料，可以是鐵硅材料、鐵硅鋁材料或非晶粉末等，上板101、下板102和中柱磁芯104的材料可以相同也可以不同，磁導率大小根據(jù)實際需要來調節(jié)。兩種搭配方式都可以通過調節(jié)各個磁芯的磁導率大小和磁芯尺寸來調節(jié)耦合度K。耦合電感的兩個邊柱磁芯103和中柱磁芯104的橫截面為以下形狀中的任意一種:圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、圓角矩形、圓角三角形或者多邊形；上板101和下板102橫截面可以為以下形狀中的任意一種:圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、圓角矩形或者多邊形。
圖9及圖10分別示出本實施例中的磁耦合電感器的縱截面在不同工作狀態(tài)下的磁通流動示意圖。
[0007]實施例二
參考圖6，本實施例中的磁耦合電感器200包含兩個線圈205和磁芯。磁芯包括上板201、下板202、兩個邊柱磁芯203和中柱磁芯204。其中，上板201由中柱磁芯204的上端205,205的左側磁芯206和205的右側磁芯207共同組成；磁芯206和磁芯207的上端與中柱磁芯204的上端平齊，且其深度相同。下板202由中柱磁芯204的下端208、208的左側磁芯209和208的右側磁芯210共同組成；磁芯209和磁芯210的下端與中柱磁芯204的下端平齊，且其深度相同。磁芯206、207、209和210具有相同的尺寸，可以是具有第一磁導率的一個獨立磁芯，也可以是多個磁芯拼接而成具有等效第一磁導率的磁芯，用來拼接磁芯206、207、209、和210的多個磁芯的磁導率可以相同也可以不同；兩個邊柱磁芯203可以是具有第二磁導率的一個獨立磁芯，也可以是多個磁芯拼接而成具有等效第二磁導率的磁芯，用來拼接兩個邊柱磁芯203的多個磁芯的磁導率可以相同也可以不同，邊柱磁芯203的高度等于上板201和下板202之間的距離；中柱磁芯204