[实用新型]交错并联变换器的磁耦合电感器及其磁芯

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种针对交错并联方式工作的功率变换器的磁耦合电感器及其磁芯。

背景技术

随着电力电子技术的发展，对功率变换器的要求越来越严格，需要更低的输入或输出电压、更大的电流、更快的动态响应、更小的体积。为了满足这些要求，新的技术不断被提出和应用。

交错并联技术于上世纪60年代最早被提出，并得到了广泛的应用。采用交错并联技术可以有效的降低输入输出电流纹波的幅值；同时采用几个较小的电感来代替传统变换器中大而笨重的主电感，可以提高变换器的动态响应速度，减小电感的体积，增加功率密度。图1为两路Boost电路交错并联工作原理图。虽然交错并联技术降低了总的输入输出电流纹波，但是如果使用较小的感量，则每个通道内的电感电流仍然存在较大的纹波，这样功率开关管上的导通损耗与开关损耗和电感中的磁芯损耗将会较大，同时，使用交错并联技术会增加电感器的数量增加电路复杂度。

为了简化变换器中磁性器件，有学者提出了在交错并联变换器中使用非耦合的集成电感以降低磁性元件的数量，即将两个180°交错并联的独立电感集成在单对的E-E或者E-I磁芯中，其磁集成方式有正向磁集成和反向磁集成两种，其演化可以用图2（a）和图2（b）来解释。这种磁集成方式，由于中柱没有气隙，仅为低磁阻的磁路，因此两个集成的磁通并未产生耦合。这种非耦合的集成方式在一定程度上简化了磁芯的结构，但是并未改善电感器的动态响应速度和稳态特性，同时这种集成方式对中柱来讲缺点也很明显。正向磁集成中柱磁芯的交流磁通变小，所以中柱上的损耗会减小，然而中柱的直流磁通为两边柱磁通之和，所以中柱更容易饱和；反向磁集成中柱的直流磁通会很小，避免了磁芯的饱和，但是其交流磁通幅值会显著变大，使得磁芯损耗增加。图3（a）和图3（b）给出了两种磁集成方式对应的边柱和中柱的磁通情况。同时，这种非耦合的集成方式使用的磁芯不是标准品，两个边柱的气隙需要精确的调整，批量生产成本高；另外由于机械不稳定的原因，在大负载时容易产生噪音。

为了改进非耦合集成磁芯结构上的不稳定性，同时满足电感器稳态和动态特性，提出了耦合的磁集成技术，即在中柱磁性上增加气隙，增加中柱磁芯的磁阻，让两个集成的电感器相互耦合。该耦合的磁集成技术一方面由于增加了中柱气隙，使得两个边柱的气隙填充精度无需太高，这样可以保证机械稳定性；另一方面，通过调节集成磁性元件的耦合度来匹配变换器的实际工作时开关的占空比，使其既能得到较快的动态特性同时又能保证良好的稳态性能。图4（a）和图4（b）给出了正向耦合集成和反向耦合集成两种方式的示意图。由于两个耦合电感之间互感的存在，反向磁耦合集成电感器能够形成较小的瞬态等效电感和更大的稳态等效电感，在设计耦合电感时通过调整耦合度K匹配功率变换器工作时的占空比D，从而调整相应的等效电感值，改善动态和稳态特性。而耦合度K受边柱和中柱磁芯磁阻的大小共同影响，所以使用平时我们设计电感时常采用的E-E型或者E-I型等标准磁芯来设计磁耦合集成电感有很大的限制，对耦合度K的调节不够灵活，缺少对磁芯结构的优化。

发明内容

本实用新型针对在磁耦合集成电感器设计过程中出现的由于磁芯选择而造成的耦合度K调节不灵活、磁芯结构优化困难的不足，提出一种应用于交错并联功率变换器的磁耦合集成电感器及其磁芯。

为了达到上述目的，本实用新型的一个技术方案是提供了一种磁芯，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两侧的边柱磁芯，所有的上磁芯及下磁芯具有第一磁导率，所有的边柱磁芯具有第二磁导率，所有的中柱磁芯具有第三磁导率。

优选地，所有所述上磁芯及下磁芯分别独立形成上板及下板，所述中柱磁芯及所述边柱磁芯位于上板与下板间，且所述中柱磁芯及所述边柱磁芯的高度等于上板与下板间的间距。

优选地，所述中柱磁芯和/或所述边柱磁芯的上下两端分别与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边柱磁芯的除包含在上板及下板内的部分外的剩余部分位于上板与下板间。

本实用新型的另一个技术方案是提供了一种交错并联变换器的磁耦合电感器，其特征在于，包括上述的磁芯及线圈，在磁芯的每个所述边柱磁芯上均套有线圈。