功率磁性元件广泛用于电力电子装置中crra.docx

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1、摘 要:功率磁磁性元件件广泛用用于电力力电子装装置中,它担负负着磁能能的传递递、储存存以及滤滤波和电电气隔离离等功能能,采用用磁集成成技术可可以有效效地减小小磁性元元件的体体积和损损耗,提提高功率率密度和和工作效效率,改改善输出出纹波.本文综综述了磁磁集成的的概念、分分析方法法及其在在电力电电子中的的应用. 关键键词:磁磁集成;电力电电子;变变换器;应用 1 前前言 功功率磁性性元件是是所有电电力电子子装置中中必不可可少的关关键器件件.它担担负着磁磁能的传传递、储储存以及及滤波和和电气隔隔离等功功能,其其体积和和重量一一般占到到整个电电路的220%至至30%,损耗耗约占总总损耗的的30%.同时

2、时,磁性性元件的的各参数数对电路路的性能能影响很很大,如如变压器器漏感对对电压尖尖峰的影影响,变变压器原原、副边边绕组的的耦合电电容对隔隔离性能能的影响响.因此此,磁性性器件的的研究对对于减小小电力电电子装置置的体积积和重量量、提高高电压调调制性能能有十分分重要的的意义. 近年年来,随随着开关关器件和和软开关关技术的的发展,人们通通常采用用提高工工作频率率的办法法实现开开关电 源的小小型化,但是受受到磁性性器件特特性的限限制,高高频化的的方法有有一定局局限性.因为提提高工作作频率,会使磁磁性器件件的磁芯芯损耗显显著增加加,所以以在高频频工作时时磁性器器件的磁磁芯一般般要降额额使用,磁芯的的工作

3、磁磁密远小小于其饱饱和磁密密,限制制了磁性性器件体体积的进进一步减减小.为为了能进进一步减减小磁性性器件的的体积、重重量和损损耗,提提高磁件件性能,人们研研究了磁磁集成技技术,并并将其应应用于电电力电子子磁性器器件的设设计中. 2 磁集成成技术 2.11 磁集集成技术术的发展展现状 自从CCuk第第一次提提出了磁磁件集成成化11,2的思想想后,磁磁集成的的概念不不断扩展展,这一一技术发发展很快快3,已成成为电力力电子行行业发展展的一个个趋势.近几年年,随着着电力电电子技术术高频磁磁技术的的不断发发展,磁磁集成技技术已经经发展成成为电力力电子技技术的一一个分支支,国外外很多研研究人员员致力于于这

4、方面面的研究究,但国国内的研研究和应应用还处处于起步步阶段. 2.2 磁磁集成技技术的定定义和特特点 集集成磁件件实际上上包含两两方面含含义44,5:一是是将多个个磁性元元件集成成在一个个磁芯结结构上,充分利利用各个个磁件在在具体电电路拓扑扑中的电电压、电电流关系系以及磁磁路拓扑扑中的磁磁通、磁磁势关系系,实现现多个磁磁件的集集成,以以减小体体积,提提高开关关电源的的功率密密度、降降低损耗耗、改善善输出滤滤波效果果(例如如将两个个或多个个电感器器绕制在在一个磁磁芯上);二是是将磁性性元件与与线路板板结合(例如直直接将磁磁件的绕绕组制造造在线路路板上,采用厚厚膜技术术将磁芯芯和绕组组制造在在硅片

5、上上等).本文主主要讨论论第一类类问题. 在电电力电子子中,磁磁集成技技术主要要应用于于开关电电源和UUPS逆逆变器中中,有以以下优点点:(11)减少少开关电电源中器器件的数数量;(2)使使集成磁磁件的最最大工作作磁密小小于各分分立磁件件的磁密密和,以以减小磁磁件磁芯芯的截面面积,从从而减小小磁件磁磁芯的体体积和重重量;(3)使使集成磁磁件磁芯芯磁通的的脉动量量减小,从而使使磁件的的铁损耗耗减小,提高开开关电源源的效率率和功率率密度;(4)改善开开关电源源的性能能,如减减小开关关电源输输入和输输出电流流的纹波波,提高高开关电电源的瞬瞬态响应应速度等等. 33 集成成磁件的的设计与与建模 3.1

6、1 集成成磁件的的设计步步骤 由由于所设设计的集集成磁件件是用于于特定电电路,因因此,不不仅要在在设计的的过程中中考虑特特定电路路的要求求,设计计完成后后对集成成磁件的的分析也也很重要要.另外外,集成成方式的的选择要要综合考考虑其对对铁损和和电流脉脉动的影影响,以以优化电电路性能能. 集集成磁件件的设计计大致可可分四步步: 第第一步由由分立磁磁件变换换器推导导出多种种集成磁磁件变换换器; 第二步步结合具具体电路路,对比比分析多多种磁集集成方案案,从中中选出最最好的; 第三三步完成成集成磁磁件的参参数计算算与设计计; 第第四步对对磁集成成变换器器进行仿仿真及其其硬件实实现. 对于功功率变换换电路

7、,磁性元元件对其其性能的的提高有有重要的的作用.例如,在输出出端增加加电感或或使各个个电感有有所耦合合有利于于减小电电流纹波波,但电电感数量量的增加加往往相相应增加加了磁件件的数量量、体积积和损耗耗.如果果采用磁磁集成技技术,电电路拓扑扑中磁元元件数量量的增加加并不一一定意味味着实际际电路布布置上磁磁结构所所占体积积和磁件件损耗的的增加.所以,在研究究电路拓拓扑时,不仅要要从电路路拓扑方方面考虑虑问题,还要注注意将电电路拓扑扑方案与与磁件可可能的集集成结构构方案综综合在一一起研究究,达到到磁件结结构与电电路结构构的最佳佳组合. 3.2 集集成磁件件电路模模型的建建立方法法 磁件件分析所所采用的

8、的基本原原理是磁磁路的基基本定律律及电磁磁感应定定律.为为了分析析磁件对对电路的的影响,一般需需要建立立磁件的的等效电电路.本本节主要要介绍现现有的两两种建立立磁件等等效电路路的方法法:磁路路-电路路对偶变变换法和和磁导-电容类类比法. 3.2.11 磁路路-电路路对偶变变换法 磁路-电路对对偶变换换法44是根根据磁件件的磁路路模型,通过对对偶变换换等方法法导出磁磁件的电电路模型型.步骤骤如下:根据磁磁路欧姆姆定律,得到磁磁件的等等效电路路;运用对对偶原理理,得到到等效电电路的对对偶图;对得到到的对偶偶图进行行尺度变变换,得得到电流流、磁链链关系图图,以便便于应用用法拉第第电磁感感应定律律得到

9、等等效电路路;根据法法拉第电电磁感应应定律及及变压器器的阻抗抗变换原原理,得得到等效效电路. 下面面以图11(a)所示的的集成磁磁件为例例,简要要说明整整个推导导过程. (11)不考考虑漏磁磁,根据据图1(a)的的参考方方向,由由欧姆定定律得到到磁件的的磁路模模型,如如图1(b )所示. (22)根据据对偶变变换的原原则,由由图1(b)所所示的等等效磁路路推得其其对偶图图,如图图1(cc). (3)以Npp1绕组组为参考考对图11(c)进行尺尺度变换换,得到到电流、磁磁链的关关系图,如图11(d)所示. (44)根据据图1(d)所所示的电电流、磁磁链关系系得到磁磁件的等等效电路路模型,如图11

10、(e). 用用磁路-电路对对偶变换换法推得得的等效效电路是是用电感感和理想想变压器器来表征征的,便便于将集集成电路路与分立立电路相相比较,但它不不能直接接反映磁磁件的电电路参数数与磁路路参数的的特性6.为此人人们提出出了另一一种建立立磁件等等效电路路的方法法,磁导导-电容容类比法法. 33.2.2 磁磁导-电电容类比比法 这这种方法法是通过过磁路参参数与电电路参数数的类比比关系,用回转转器和电电容来表表征磁件件的等效效电路7111. 根据据表1所所示的类类比关系系,绕组组可以被被看作连连接磁路路与电路路的二端端口元件件,如图图2(aa)所示示,由法法拉第电电磁感应应定律及及磁动势势的定义义,对

11、NN匝绕组组有等式式 由于于和和F分别别类比于于电路中中的电流流和电压压,上式式给出的的函数关关系与电电路中的的二端口口元件回转转器的数数学模型型相一致致,因此此,可以以引入回回转器作作为绕组组的等效效电路模模型,如如图2(b)所所示.用用回转器器模型表表示磁件件绕组,电容模模型表示示磁导,绕组匝匝数N相相当于回回转电阻阻,这样样就可以以得到磁磁件的等等效电路路模型. 显然然,这个个等效电电路能同同时反映映磁件的的电路和和磁路特特性,包包括绕组组的电压压、电流流和磁芯芯的磁通通.用电电流控制制的电压压源代替替回转器器,可以以进行电电路仿真真,如图图2(cc).用用这种模模型进行行电路仿仿真时,

12、可以方方便地加加入磁芯芯的非线线性特性性(如磁磁饱和特特性等),使仿仿真结果果更加准准确. 对比以以上两种种建模方方法可以以看出: 磁路-电路对对偶变换换法通过过对磁路路的对偶偶变换得得到磁链链与电流流的关系系,建立立等效电电路;磁磁导-电电容类比比建模法法通过引引入回转转器作为为绕组的的等效模模型,直直接建立立磁件的的等效电电路; 用磁路路-电路路对偶变变换法推推得的磁磁件等效效电路可可用于分分析磁件件的电路路与磁路路特性,适用于于理论分分析; 用磁导导-电容容类比建建模法推推出的等等效电路路,通过过回转器器、电容容表征参参数能同同时反映映磁件电电路与磁磁路的特特性,特特别适于于磁件的的仿真

13、研研究. 3.33集成磁磁件的参参数设计计 由于于集成磁磁件与一一般的分分立磁件件结构不不同,所所以在磁磁芯型号号、气隙隙大小、导导线规格格等参数数的 选选择上存存在一定定的难度度.目前前并没有有通用的的参数计计算方法法,设计计者一般般根据实实际的要要求选择择设计方方法. 文献12针对多多路输出出时在同同一磁芯芯柱上增增加的额额外绕组组与有限限的磁芯芯窗口面面积之间间的矛盾盾,通过过给定磁磁芯绕组组的铜损损,计算算出磁芯芯的结构构常数,从而得得到理想想的磁芯芯型号、气气隙大小小、绕组组匝数以以及导线线规格.在文献献133中,作者分分别针对对在磁芯芯中柱和和磁芯边边柱开气气隙的两两种情况况进行磁

14、磁通分布布的分析析,确定定磁芯型型号.文文献114通通过一种种二维极极限元分分析方法法155,来来确定磁磁芯型号号、磁芯芯气隙和和绕组导导线规格格.该方方法不仅仅能用于于设计阶阶段,还还可用于于整个变变换器的的仿真从从而验证证电路性性能. 4 磁磁集成技技术在电电力电子子中的应应用 44.1磁磁集成技技术在开开关电源源中的应应用 随随着通信信设备和和计算机机运行速速度的不不断提高高,低压压大电流流输出的的开关电电源成为为现时开开关电源源的热点点产品之之一.对对于低压压大电流流输出的的开关电电源,要要提高功功率密度度,必须须减小体体积、降降低损耗耗.磁集集成技术术因为减减小了磁磁芯的损损耗和体体

15、积,而而受到了了广泛地地研究和和应用. 在这这些应用用中主要要包括电电感与电电感的集集成,变变压器与与电感的的集成,变压器器与变压压器的集集成,根根据电路路拓扑结结构的不不同,绕绕组的集集成方式式也不同同,图33是几种种常见的的绕组集集成方式式.当然然这只是是理论上上的分析析,只有有根据实实际电路路的拓扑扑结构来来设计绕绕组的排排列方式式才能获获得理想想的效果果. 44.1.1在正正激变换换器中的的应用 正激变变换器的的磁集成成主要是是隔离变变压器与与滤波电电感的集集成,对对这种拓拓扑结构构的集成成在文献献166、177中都都有描述述.另外外正反激激变换器器的集成成188、199也属属于变压压

16、器和电电感的集集成.在在文献20中,作作者设计计了一种种磁集成成的有源源钳位正正激变换换器,该该变换器器提高了了工作频频率和功功率密度度.图44是正激激变换器器的集成成方式. 4.1.22在半桥桥变换器器中的应应用 二二次侧绕绕组带中中心抽头头的半桥桥变换器器211大大大地减小小了输出出电感,通过对对称的占占空比调调制能容容易地实实现ZVVS,但但其二次次侧绕组组的电流流较大,制作绕绕组时需需要分层层绕制,因此,在导线线选择上上很难同同时满足足小的绕绕组侧面面积和高高的工作作效率的的要求.倍流整整流可以以解决上上述问题题,而且且特别适适于低压压大电流流输出. 4.1.33在倍流流整流变变换器中

17、中的应用用 用集集成磁技技术实现现的倍流流整流变变换器22将变压压器的二二次侧绕绕组与输输出电感感合并,如图55所示.它的工工作模式式与普通通变换器器基本一一样.这这种方法法可有效效地降低低成本和和铜损,提高工工作效率率和功率率密度.在文献献233中作作者还推推导出了了输出电电流纹波波的计算算公式,通过合合理的参参数选择择可以减减小甚至至消除输输出纹波波.用磁磁集成技技术设计计出的变变换器的的工作效效率可达达90 %.文文献224在在此基础础上提出出了新的的集成方方式,将将原边绕绕组分绕绕在磁芯芯的两个个边柱上上,这种种方式可可以减小小漏感,如图66所示. 4.1.44在全波波电路中中的应用用

18、 全波波电路具具有高工工作效率率、高功功率密度度和低开开关应力力等优点点 ,是是变换器器常见的的一种拓拓扑结构构.对全全波变换换器的磁磁集成也也得到了了广泛的的研究2426.图77是全波波电路的的集成方方式. 4.22其它方方面的应应用 磁磁集成技技术除了了应用于于开关电电源,还还可用于于其它方方面,如如UPPS227以以及谐振振型变换换器228332.特别是是近年来来其应用用主要集集中于VVRM(volltagge rreguulattor moddul e)3335,由于于VRMM对输出出纹波精精度与响响应速度度的要求求很高,磁集成成技术必必将受到到更大的的挑战. 5 结语 本文综综述了磁

19、磁集成技技术的基基本概念念和分析析方法,并列举举了其在在电力电电子中的的应用研研究.总总之,随随着磁性性器件日日益小型型化,高高频磁技技术不断断深入,集成磁磁技术作作为一种种能提高高磁性器器件功率率密度,减小磁磁件体积积的应用用技术必必将在现现代电力力电子中中占有越越来越重重要的地地位,得得到越来来越广泛泛的研究究.欧美美发达国国家对磁磁集成技技术这一一前沿课课题已展展开了深深入地研研究.而而我国对对磁集成成技术的的研究尚尚处于起起步阶段段,只有有少数研研究者涉涉足该领领域.可可以预见见,随着着现代电电力电子子技术的的发展36,磁集集成技术术将是未未来电力力电子高高频磁技技术发展展的方向向,并为为电力电电子行业业带来新新的突破破与创新新.