（电力电子与电力传动专业论文）磁集成正激变换器的系统研究.pdf

。1 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g 一 呲y 帆1 眦8 帆1 帆m 1 眦4 帆8 1 1 l l ( s y s t e m a t i cr e s e a r c ho n m a g n e t i c - i n t e g r a t i o nt e c h n i q h e si nf o r w a r d c o n v e r t e r s a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y j i nj i a d v i s e db y p r o f e s s o rc h e nq i a n h o n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 t h i sw o r ki ss u p p o r t e d b y n a t i o n a l + n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n aa n d a w a r dn u m b e r ：5 0 5 0 7 0 0 9 瀚 ， i 也 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：争茬 i s期：别9 易、坞 o 嗝 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 为适应功率变换器提出的高性能要求，研发人员已不能仅从传统的电路拓扑和控制策略入 手优化功率变换器性能，还需要从变换器的封装、散热、元器件及系统集成技术等方面进行研 究。在研发高性能开关电源的过程中，人们逐渐认识到磁性元件对减小变换器的体积、重量， 提高整机功率密度起着关键作用，而磁集成技术可以减小磁件体积重量，减小磁件损耗，减小 输出电流脉动。合理的利用磁集成技术可以有效解决传统正激变换器存在的滤波电感体积大， 输出电流脉动大等问题。为此本文将磁集成技术引入到正激变换器中，研究磁集成技术对输出 电流脉动和变换器的动态性能的影响。 论文利用正激变换器变压器两端的电压与滤波电感两端电压方向一致的特点，基于交变磁 通正向耦合可减小输出电流脉动的思路，提出变压器与滤波电感的集成方案，导出磁集成谐振 复位( i m - r r f ) 和磁集成绕组复位正激变换器( i m - w r f ) 。在分析i m - r r f 和i m - w r f 变换器的 工作状态的基础上得出了各变换器的各工作阶段的电流脉动，并指出输出电流脉动均有5 种可 能性。针对两种正激变换器的电流脉动的多解性，分析得出各种电流脉动的磁阻条件和最小电 流脉动条件，给出集成磁件设计依据，并分别制作了两台3 6 - 7 5 v 输入、3 3 v 2 0 a 输出的 d m - r r f 变换器和d m - w r f 变换器以及对应的两台i m - r r f 变换器和i m - w r f 变换器的5 种集成磁件的参数设计、硬件制作和试验验证。实验结果表明在a i l2 = 0 情况下变换器输出电流 脉动与应用分立磁件的变换器相比下降了5 0 左右。 论文最后在分析了传统正激变换器的小信号交流模型的基础上，对磁集成正激变换器进行 小信号建模。分析各类磁复位方式下的磁集成正激变换器的稳态等效电感和动态等效电感，研 究磁集成技术对正激变换器的稳态性能和动态性能的影响。以谐振复位正激变换器为例，针对 采用电压型控制的i m - r r f 变换器进行小信号仿真分析，提出i m 的等效方法，对磁集成正激 变换器进行稳态性能和动态性能的分析，指出磁集成技术能改善变换器的动态响应速度。 关键词：磁集成技术，谐振复位正激变换器，绕组复位正激变换器，集成磁件，输出电流脉动。 磁集成正激变换器的系统研究 a b s t r a c t d u et ot h eh i g hr e q u i r e m e n t so ft h ep o w e re o n v e a e r s ，r e s e a r c h e r sc a l ln ol o n g e ro p t i m i z et h e p e r f o r m a n c eo n l yf r o mt h ed e s i g no ft r a d i t i o n a lc i r c u i tt o p o l o g yo rc o n t r o ls t r a t e g y , b u ta l s of r o mt h e o t h e ra s p e c t ss u c ha st h ep a c k a g e ，h e a td i s s i p a t i o n ，c o m p o n e n t sa n ds y s t e mi n t e g r a t i o n m e a n w h i l e ， t h em a g n e t i c s - i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e sh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s ，f o rt h ei n t e g r a t e d m a g n e t i c s ( i m ) e a r lh e l pt or e d u c et h ec o r el o s s ，c o r es i z e ，o rr i p p l ec u r r e n tc o m p a r e dw i t ht h e d i s c r e t em a g n e t i c s ( d m ) t h ef o r w a r dc o n v e r t e ri so n eo ft h em o s ts u i t a b l et o p o l o g i e sf o rl o w - t o m e d i u m - p o w e ra p p l i c a t i o n sf o ri t ss i m p l i c i t ya n d9 0 0 dp e r f o r m a n c e ，h o w e v e ri th a sl a r g e ro u t p u t r i p p l ec u r r e n tc o m p a r i n gw i t ht h eo t h e rd o u b l e d - - e n d e dp r i m a r yt o p o l o g i e s ，a n dr e q u i r e dar e l a t i v e l y l a r g ef i l t e r i n gi n d u c t o r r a t i o n a lu s eo fm a g n e t i ci n t e g r a t i o nt e c h n i q u e sc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h e s e p r o b l e m s s i n c et h ev o l t a g ea c r o s st h et r a n s f o r m e rw i n d i n ga n di n d u c t o rw i n d i n gh a v et h es a m ep o l a r i t y , t h ea cf l u xe x c i t e db yt h et r a n s f o r m e rw i n d i n ga n di n d u c t o rw i n d i n gc a nb ep o s i t i v e l yc o u p l e dt o r e d u c et h eo u t p u tc u r r e n tr i p p l e s ，t h e r e f o r e ，ar e s o n a n tr e s e tf o r w a r dc o n v e r t e rw i t hi n t e g r a t e d m a g n e t i c s ( i m - r r f ) a n daw i n d i n gr e s e tf o r w a r dc o n v e r t e rw i t hi n t e g r a t e dm a g n e t i c s ( i m - w r f ) a r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r b a s e do na n a l y z i n gt h eo p e r a t i n gm o d e lo ft h ei m - r r fa n di m - w r f , t h e c u r r e n tr i p p l e so fd i f f e r e n to p e r a t i n gs t a g e sa r eo b t a i n e d ，a n dp o i n t so u tt h a ti th a sf i v ep o s s i b i l i t i e sf o r t h eo u t p u tc u r r e n tw a v e f o 册f u r t h e r m o r e ，t h ei mr e l u c t a n c ec o n d i t i o n ，t h es m a l l e s to u t p u tc u r r e n t r i p p l ec o n d i t i o na n dt h ed e s i g nb a s i so fl mi sa l s oo b t a i n e d t h e n ，f o u r6 6 w r r fa n d 哪p r o t o t y p e c o n v e r t e r s ，w i t hi n t e g r a t e dm a g n e t i c sa n dw i t h o u t , a r eb u i l tt ov e r i f yt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，a n df i v e k i n d so fl mc o r r e s p o n d st ot h ea b o v er r fa n dw r fa r ei m p l e m e n t e da n dt e s t e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t p u tr i p p l ec u r r e n to fi mc o n v e r t e r so nt h ec o n d i t i o nt h a ta i l _ 2 = oh a sb e e n d r o p p e db y5 0 c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lo n e f i n a l l y , t h es m a l l - s i g n a lm o d e lo fi mf o r w a r dc o n v e r t e ri sf o u n d e da n ds i m u l a t e d ，f u r t h e r m o r e t h es t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ei sa n a l i s e dt os h o wt h a tt h ec o n v e r t e rw i t ht h e i n t e g r a t e dm a g n e t i c sh a sb e t t e rd y n a m i cr e s p o n d i n gs p e e d k e y w o r d s ：m a g n e t i c - i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e ，r e s o n a n tr e s e tf o r w a r dc o n v e g e r w i n d i n gr e s e tf o r w a r d c o n v e a e r i n t e g r a t e dm a g n e t i c s ，o u t p u tc u r r e n tr i p p l e i i i - 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 概i 苤1 1 2 磁集成技术1 1 2 1 磁集成技术的发展史。2 1 2 2 磁集成技术在电力电子中的应用2 1 2 2 1 电感与电感集成2 1 2 2 2 电感与变压器集成4 1 3 磁集成技术应用于正激变换器5 1 3 1 磁集成技术应用于减小电流脉动原理的解释5 1 3 2 正激变换器磁性元件的磁通特点6 1 3 3 磁集成有源箝位正激变换器和磁集成双管正激变换器7 1 3 4 磁集成正激变换器研究的不足一8 1 4 本文的研究的内容和意义8 第二章i m - r r f 及i m - w r f 变换器l o 2 1 引言1 0 2 2i m - r r f 和i m - w r f 的导出lo 2 3i m - r r f 变换器ll 2 3 1i m - r r f 变换器工作原理分析。l l 2 3 2i m 磁通特性l5 2 3 3i m - r r f 变换器输出电流脉动多解性及最小电流脉动分析1 6 2 3 3 1i m - r r f 变换器输出电流脉动多解性1 6 2 3 3 2i m - r r f 变换器最小输出电流脉动2 0 2 4i m - w r f 变换器2 0 2 4 1i m - w r f 变换器工作原理分析2 0 2 4 2i m 磁通特性2 2 2 4 3i m - w r f 变换器输出电流脉动多解性及最小电流脉动分析2 3 2 4 3 1i m - w r f 变换器输出电流脉动多解性2 3 2 4 3 2i m - w r f 变换器最小电流脉动分析。2 4 2 5 仿真验证2 5 2 6i m 的等效电路及参数测量一2 7 2 7 本章小结2 8 第三章6 6 wi m - r r f 变换器参数设计及实验验证2 9 3 1 引言2 9 3 2d m - r r f 变换器的参数设计2 9 3 2 1 磁性元件外的参数确定及器件选取2 9 i i i 磁集成正激变换器的系统研究 3 2 2d m - r r f 变换器的磁性元器件的设计3 1 3 3i m r r f 变换器参数设计3 2 3 3 1 集成磁件的设计依据3 2 3 3 2 集成磁件对原边电流的影响3 3 3 3 3 集成磁件的具体参数3 3 3 3 4 磁性元件外的参数确定及器件选取3 4 3 4 实验结果对比与分析3 5 3 4 1 输出电感电流脉动对比3 5 3 4 2 效率对比与讨论3 6 3 4 3 占空比对输出电流脉动的影响3 7 3 4 4 原边侧电流对比3 8 3 5 磁性元件对比优化4 0 3 6 本章小结4 l 第四章6 6 wi m - w r f 变换器参数设计及实验验证4 2 4 1 弓i 言4 2 4 2d m w r f 变换器参数设计4 2 4 2 1 磁性元件外的参数确定及器件选取4 2 4 2 2d m - w r f 变换器中磁件的设计4 3 4 3i m - w r f 变换器参数设计4 3 4 3 1 集成磁件的具体参数4 3 4 3 2 集成磁件对原边电流的影响4 4 4 3 3 集成磁件的具体参数4 5 4 3 4 磁性元件外的参数确定及器件选取4 6 4 4 实验结果对比与分析4 6 4 4 1 输出电感电流脉动对比4 6 4 4 2 效率对比与讨论4 8 4 4 3 原边侧电流对比一4 9 4 4 4 占空比及变压器匝数对输出电流脉动的影响5 1 4 5 磁性元件对比优化5 2 4 6 本章小结5 3 第五章磁集成正激变换器的小信号分析5 4 5 1j ；i 言5 4 5 2 传统正激变换器的小信号交流模型5 4 5 2 1 功率级的小信号分析5 4 5 2 2 开环系统的小信号模型5 5 5 3 磁集成正激变换器的小信号分析5 6 5 3 1 磁集成正激变换器稳态等效电感5 6 5 3 2 磁集成正激变换器输出侧动态等效电感6 0 5 3 3 磁集成正激变换器的小信号分析6 3 5 4i m - r r f 小信号系统仿真分析。6 3 5 5 本章小结6 5 第六章结束语6 6 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 6 1 本文的主要工作6 6 6 2 下一步要完成的工作6 6 参考文献6 7 致 射7 l 在学期间研究成果及发表的学术论文7 2 v 磁集成正激变换器的系统研究 v i 图表目录 图1 1 耦合电感在b u c k 变换器的应用。3 图1 2 不同集成方式的耦合电感4 图1 3 两种集成方式对交变磁通的影响4 图1 4i m - - c d r 电路的改进与完善。5 图1 5 耦合电感及等效磁路6 图1 6 磁集成有源箝位正激变换器7 图1 7 磁集成双管正激变换器8 图2 1i m - r r f 变换器1 0 图2 2 三种集成磁件实现方法1 l 图2 3i m - 、v r f 变换器l l 图2 4a b 绕组电压及磁柱l 、3 上交流磁通波形1 2 图2 5 变换器的工作状态及i m 等效磁路1 5 图2 65 种电流脉动波形图1 7 图2 7a b 绕组电压及磁柱l 、3 上交流磁通波形一2l 图2 8 变换器的工作状态及i m 等效磁路2 2 图2 95 种电流脉动波形图2 4 图2 1o 仿真电路2 6 图2 1 li m - r r f 仿真波形2 7 图2 1 2i m - 、r f 仿真波形一2 7 图2 1 3i m 等效电路2 8 图3 1 采用同步整流的i m - r r f 变换器。2 9 图3 2p 么、v s r l 、v s m 膳d m a x 的变化曲线图。3 0 图3 3i m - r r f 变换器和d m - r r f 变换器输出电流波形对比3 6 图3 4d m - t t f 变换器和i m - t t f 变换器的效率对比3 7 图3 5 占空比变化时的输出电流脉动。3 8 图3 6 原边侧电流对比。3 9 图3 7 各磁件体积、重量对比4 l 图3 8 优化后集成磁件规格4 l 图3 9 集成磁件与分立磁件实物图。4 l 图4 1 采用同步整流的i m - w r f 变换器4 2 图4 2i m - w r f 变换器和d m - w r f 变换器输出电流波形对比4 7 图4 3d m - w r f 变换器和i m - w r f 交换器的效率对比4 9 图4 4 原边侧电流对比5 0 图4 5 占空比变化时的输出电流脉动5 1 图4 6 各磁件体积、重量对比5 3 图4 7 优化后集成磁件规格5 3 图4 8 集成磁件与分立磁件实物图5 3 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1b u c k 变换器小信号交流模型5 4 图5 2 传统正激变换器的小信号等效电路。5 5 图5 3g 。的幅频特性和相频特性曲线5 6 图5 4 阶段l 等效磁路5 7 图5 5 瞬态驱动电压和电感电流波形。6 l 图5 6 瞬态驱动电压和电感电流波形。6 2 图5 7g o 的幅频特性和相频特性曲线6 3 图5 8 仿真电路6 4 图5 9 仿真波形。6 4 表2 1 各阶段电流脉动表达式。1 7 表2 2 各类型电感电流脉动表达式一2 0 表2 3 各工作阶段各磁柱的直流磁通和交流磁通表达式。2 2 表2 4 各阶段电流脉动表达式一2 3 表2 5 各类型电感电流脉动表达式2 4 表2 6i m - r r f 变换器磁件各气隙数据2 6 表2 7i m w r f 变换器磁件各气隙数据2 6 表3 1a 对集成磁件各参数的影响。3 4 表3 2 各电流脉动对应的气隙及端口电感值。3 4 表3 3 磁件设计结果与实验数据对比。3 6 表3 4 应用各种磁件的变换器的满载时的效率3 7 表3 5 磁阻及输出电流波形随输入电压的变化一3 8 表3 6 原边电流脉动理论值与实测值对比4 0 表3 7i m 和d m 对比4 0 表4 1 九对集成磁件各参数的影响4 5 表4 2 各电流脉动对应的气隙及端口电感值一4 6 表4 3 理论值与实测值对比4 8 表4 4 应用各种磁件的变换器的满载时的效率4 8 表4 5 原边电流脉动理论值与实测值对比。5 1 表4 6 磁阻及输出电流波形随输入电压的变化。5 2 表4 7i m 和d m 对比5 2 表5 1 集成正激变换器各工作阶段等效电感6 0 v i i 磁集成正激变换器的系统研究 注释表 谚( i = 1 2 ，3 ) 姜譬磁件磁柱f 的磁通的交流仇 衄，( i = 1 ，2 ，3 ， 集成磁件磁柱的磁感应强度岛( f - 1 ，2 ，矽 蛆( i = 1 2 矽 的交流流分量 局( 。2 l 2 矽 集成磁件磁柱i 的面积 屯工净l ，2 ，矽 磁芯的饱和磁密 输出滤波电容 输出滤波电感 分立磁件 开关频率 整流二极管的电流有效值 集成磁件 变压器原边电流 变压器原副边匝比 原边激磁感值 变压器漏感 变压器副原边匝比 变压器原边绕组匝数 脉宽调制 开关管 负载电阻 变压器 最大输入电压 输出滤波电感上直流压降 整流二极管最大电压应力 磁复位谐振角频率 副边电压最小值 集成磁件磁柱f 的磁通的直流 分量 集成磁件磁柱f 的磁感应强度 的直流分量 变换器不同工作阶段的输出滤 波电感电流的脉动 磁芯有效导磁截面积 磁芯最高工作磁密 开关管寄生电容 输出整流二极管 气隙宽度 电感电流 输出电流 导线电流密度 输出滤波电感 磁集成技术 电感绕组匝数 变压器副边绕组匝数 输出功率 集成磁件磁柱f 的磁阻 同步整流管 谐振复位正激 绕组复位正激 输入电压 最小输入电压 整流二极管上通态压降 输出电压 效率 q 嘞 螂c | l ! ： 砷 以一一g屯厶，匆m舰m凡州一l耋懈叩 以 毋g孑晰厂易m参胛易聆一办r露吩q 南京航空航天大学硕士学位论文 ， e s r 嘞 铜的电导率 滤波电容的寄生阻 控制至输出传递函数 集成磁件原边激磁电感在第f 易“芦l ，2 ，3 ) 阶段的等效电感 g d原始增益函数 g - 苫 输入至输出传递函数 集成磁件输出侧在第f 阶段的 e q ，( i = l , 2 , 3 ) 等效电感 i x ， 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 随着电子信息、医疗通信及航空航天领域的迅猛发展，电力电子技术【1 。3 】的应用领域越来越 广，作为能量转换环节的开关电源的应用极为广泛。高效率、高功率密度、高可靠性是开关电 源的发展方向，在研发高性能的开关电源过程中，人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中重要 的功能元件，承担着能量的存储与转换、电气隔离、滤波及检测等不同的功能，同时也限制了 整机的重量、体积 3 - 6 1 。另外，磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素 6 - s l 。因此要提高电源的功率密度、效率和输出品质，不能仅局限于传统电路拓扑和控制技术等 研究，还需要对减小磁性元件的体积、重量及损耗的相关技术展开研究与应用。而磁集成技术 就是一种有效减小磁件的体积、重量、损耗和电源输出纹波的有效手段1 9 j 酗。 在众多d c d c 变换器电路拓扑中，正激变换器因其结构简单、输入输出电压隔离、工作 可靠等优点，被广泛应用于中小功率变换场合i 协1 9 1 。正激变换器的分类方法很多，根据磁复位 方式可分为：绕组复位正激变换器，谐振复位变换器，双管正激变换器，有源箝位正激变换器， 等等。与全桥、半桥、推挽等双端变换器相比，正激变换器输出滤波器的工作频率低，输出电 流脉动较大。此外，为了保证变压器完成磁复位或者降低主开关管的电压应力，正激变换器的 最大占空比一般都有限制，也导致了输出电流脉动较大。为了减小输出脉动，传统的方法是增 大滤波电感或滤波电容，这就限制了功率密度的进一步提高，同时还影响变换器的动态性能 0 , 2 , 3 , 2 0 l 。为了提高正激变换器的性能，有必要研究如何减小输出电流脉动，并提高变换器的功 率密度。而磁集成技术可减小电流脉动和磁件体积、重量，因此本论文将其应用于正激类变换 器并展开响应研究。 1 2 磁集成技术 所谓磁集成( m a g n e t i c s i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e s ，m i t ) 技术 2 1 - 2 3 】，是将变换器中两个或多个分 立磁性元器件( d i s c r e t em a g n e t i c s ，d m ) ，如储能电感，变压器等，集中绕制在一副磁芯中，集 中后的磁件被称为集成磁件( i n t e g r a t e dm a g n e t i c s ，i m ) 。通过一定的集成方式，合理的参数设计， 该技术能有效的减小磁性元件的体积、重量和损耗，在一定的应用场合下，还可以减小电流脉 动，提高系统的输出动态性甜2 4 。2 6 l 。通过绕组合并还能有效减少大电流场合连接端的损耗【”1 ， 对提高变换器的性能和功率密度有重要意义。磁集成技术的应用使得电路及磁性元件的形式更 为灵活多变，磁性元件的分析和设计也更为困难【2 8 - 3 们，其中磁集成电路分析和磁件设计的多解 性问题成为应用磁集成技术后引入的研究难点，这也是本文的研究重点。 磁集成正激变换器的系统研究 1 2 1 磁集成技术的发展史 磁集成技术的发展一直跟随着功率技术本身的发展。若从最早构造耦合电感用于改善滤波 性能算起，该技术已经有了近百年的应用历史。 早在1 9 2 8 年，g b c r o u s e 提出了采用耦合电感滤波电路的专利申请【3 i 】，发明者的初衷只是 为了减少电感数量和电感体积，而非为改善滤波。随着对耦合电感研究的深入，人们才逐渐认 识到耦合电感具有减小电流脉动的优点p 2 1 。之后，陆续有人提出多种耦合电感构造电路，用于 减小电流脉动。 1 9 7 1 年，j c e i l o 和h h o f f m a n 申请了采用i m 推挽变换器的专利【3 3 。3 4 1 ，将电感和变压器集 成在一起。至此i m 的概念不再只局限于两个电感与电感之间的集成，标志着磁集成技术进入 了多种磁件集成的时代。从2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代中期，磁集成技术得到了相当的发展， 其中以s l o b o d a n c u k 和g d b l o o m 等人的贡献较为突出。7 0 年代末c u k 将磁集成技术成功地 应用在c u k 变换器中3 5 1 ，不仅减d , - f 磁件体积，更降低了电流脉动，引起人们对磁集成技术的 广泛关注。8 0 年代后，g d b l o o m 较系统的总结和介绍磁集成技术的意义、发展及分析方法， 明确指出磁集成技术可应用于多种变换器来抑制电流纹波，并推导出多种i m 正激变换器和隔 离的i m - b o o s t 变换烈1 2 , 2 4 , 2 5 , 2 6 】。然而由于i m 设计、制作的困难，这段时期，i m 并未得到广泛 应用。 进入2 0 世纪9 0 年代至今，随着平面磁件的推广、磁件生产自动化程度的提高，磁集成的应 用变得相对容易也更加广泛；同时，电源的不断发展对其体积、输出动态性能、效率等提出了 较高要求，这些都促进了磁集成技术的研究与应用。在此阶段，平面磁集成被应用于删的设 计中，成为磁集成研究的新热点。1 9 9 7 年w e ic h e n 将倍流整流电路( c u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e r , c d r ) 中的两个滤波电感和变压器进行集成【2 们，并应用于隔离式v r m 设计中。由于i m 磁件的引 入，不仅提高了电源的功率密度，还减小了大电流的输出连接端子，使磁集成技术在大电流输 出场合具有了较高的应用价值。目前，磁集成技术己成功的用于多路输出、给中央处理器供电 的高功率密度电源模块以及通讯电源等系统中【2 2 ，2 3 捌。 1 2 2 磁集成技术在电力电子中的应用 磁集成应用的分类方法较多，可根据集成后磁件耦合与否进行划分，也可根据磁集成的对 象进行分类，这里根据集成的对象将磁集成的应用分类为电感与电感集成，以及电感与变压器 集成，并进行简要介绍。 1 2 2 1 电感与电感集成 电感与电感集成包括解耦集成和非解耦集成，文献【5 】对解耦集成的方法进行了综述，将其 2 南京航空航天大学硕士学位论文 分为提供低磁阻磁路解耦集成和通过抵消耦合作用实现解耦集成。电感与电感耦合集成得到通 常讲的耦合电感，根据电感绕组电压的关系可分为两类。 ( 1 ) 绕组电压成比例 绕组电压成比例意味着绕组匝链的交变磁通相同，因此可用单磁路磁芯进行磁集成。这类 磁集成被用于减小电流脉动甚至获得零纹波，应用非常广泛。 对这类耦合电感减小电流脉动原因的解释很多，互感或变压器的分压作用、叠加性原理的 分析【1 5 2 5 1 等等，文献【5 】还从磁通叠加的角度指出交变磁通的正向耦合能减, j , e g 流脉动，可普遍 解释磁集成对电流纹波的影响。 这类i m 的实际应用方法简单、通用。对于电感绕组电压存在比例关系的电路拓扑，如c u k 变换器、电压型多路输出电源，可直接将分立电感集成。对于一般变换器，g o r d o nb l o o m 早就 提出可以外加电感和电容，实现纹波抑制【1 2 j 。图1 1 说明如何在b u c k 变换器应用该方法，图中厶 为输出滤波电感，厶为外加电感，c a 为外加电容。稳态时，不考虑电容电压脉动，c a 上电压与 输出电压相等，所以厶与厶上的电压满足电压成比例的条件，电感集成能减小输出电流脉动， 合理设计参数可实现输出零纹波。此类i m 的应用极其广泛。 图1 1 耦合电感在b u c k 变换器的应用 ( 2 ) 耦合电感一电感绕组电压相位交错 交错并联是常用的改善变换器性能的控制方法。对于图1 2 ( a ) 所示的二相独立电感， p i t - l e o n gw o n g 提出了图1 2 ( b ) 、( c ) 所示的两种三磁柱集成方案，根据直流磁通相互耦合的不 同效果称为正向耦合方式和反向耦合方式。图1 2 中v l 、屹、f l 、如分别为电感厶、三2 的电压、 电流，l 、飓为三l 、厶的绕组匝数，妒l 、妒2 、仇分别为磁件三个磁柱的磁通。根据电磁感应定 律可知，两种集成方式磁芯侧柱的交变磁通l 、( f l a c 2 相同，且缸1 、之间的相位差与1 ，l 、 v 2 间的相位差相同。采用正向耦合方式，中柱的交变磁通= l - 9 a c 2 ；采用反向耦合方式， 则有= 1 印a c 2 。对于两相集成l 、屹相差为1 8 0 。，则两种集成方式中柱交变磁通的对比如 图1 3 所示，可以看出采用反向耦合方式，磁芯中柱的交变磁通明显小于采用正向耦合方式。 当然，正向耦合方式，磁芯中柱的直流磁通分量为零。p i t - l e o n gw o n g 指出反向耦合方式稳态 等效电感增大而动态等效电感减小，符合变换器的稳态低纹波、动态快响应的要求，适合于v r m 等快动态响应要求的场合。p i t - l e o n gw o n g 的研究成果为后续多相耦合电感的研究提供了基础 0 c , - 4 0 1 。 3 磁集成正激变换器的系统研究 ( a ) 二相独立电感 厶绕组 电压 2 绕组 电压 侧柱交 变磁通 反向耦 合中柱 交变磁 通 正向耦 合中柱 交变磁 通 ( b ) 正向耦合方式( c ) 反向耦合方式 图1 2 不同集成方式的耦合电感 1 广 。 。l 一r f 广一一一i i 一。 一一ol 一一一一一一一j7 f n ! 、入一 、7 、一、1 m +