（电力电子与电力传动专业论文）大功率高频开关电源磁集成技术的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e rm a g n e r i ce l e m e n t sa r et h ee s s e n t i a lc o m p o n e n t si na np o w e re l e c t r o n i c i n s t a l l a t i o n t h e ya r es h o u l d e r i n gf u n c t i o n sl i k em a g n e t i ce n e r g yt r a n s m i s s i o na n d s t o r a g e ，f i l t e ra n ds oo n t 1 1 e i rv o l u m ea n dw e i g h tg e n e r a l l yo c c u p i e s2 0 t o3 0 o f t h et o t a i t h e i rl o s sc o n t r i b u t e s3 0 o ft h et o m la p p r o x i m a t e l y m o r e o v e r , t h e i rv a r i o u s p a r a m e t e r sm a yg r e a t l y i n f l u e n tt h e p e r f o r m a n c eo f t h ew h o l ec i r c u i t f o r e x a m p l e ，i n f l u e n c et ov o l t a g ep e a ki n f l u e n c eb yt r a n s f o r m e rl e a k a g ei n d u c t a n c e ， t r a n s f o r m e ro r i g i n a ls i d ew i n d i n g & v i c e s i d ew i n d i n gc o u p l i n gc a p a c i t y ，si n f l u e n c et o i s o l a t i o np e r f o r m a n c e 。t or e d u c et h ep o w e re l e c t r o h i ej n s t a l l a t i o n v o l u m ea n dw e i g h t a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fv o l t a g em o d u l a t i o nb yt h ew a y , i m p r o v i n gi i ss w i t c h o p e r a t i n gf r e q u e n c yi st h ek e y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa c t i v es w i t c hc o m p o n e n t a n ds o f ts w i t c ht e c h n o l o g i e s ，t h es w i t c hl o s si sd e c r e a s i n g , f r e q u e n c yi n c r e a s i n g b a ti n h i 曲一f r e q u e n c yf i e l d ，p o w e rm a g n e t i c st e c h n o l o g yi m p r o v e sq u i t es l o w l yt h e r e f o r e b e c o m e sar e s t r i c t i o nf a c t o ro fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y st o t a ld e v e l o p m e n t t h em a g n e t i c si n t e g r a t e dt e c h n i q u eh a sb e e nu s e di ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf i e l d t os o l v et h ep r o b l e m i no r d e rt os o l v ep r o b l e m sl i k et o om a n ym a g n e t i ce l e m e n t s ，e x t r a i a r g ev o l u m ea n dw e i g h t ，e x t r al o s s ，e x t r ah i 曲h a r m o n i c ，a n de x t r ah e a tr e l e a s e di n t r a d i t i o n a lh i 曲一f f e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e r , t h i sa r t i c l ea n a l y s i st h es y s t e mf r a m e w o r k , a n a l y s i sa n dc o m p a r ev a r i o u ss e r p r a t ee q u i v a l e n tm a g n e t i c s c i r c u i tm o d e l a n d p r e s e n t e dan e we q u i v a l e n tm a g n e t i c sc i r c u i tm o d e li n t e g r a t e dm a g n e t i c so nb a s eo ft l l e a n a l y s i sa n dc o m p a r t m e n t s 。i no r d e rt of a r t h e rr e d u c et h eh e i g h ta n dv o l u m eo f i n t e g r a t e dm a g n e t i c s ，t h i sa r t i c l ea l s op r o p o s e dac o n c r e t ed e s i g nm e t h o do fp l a n a r i n t e g r a t e dm a g n e t i c sr e s e a r c h i n g ，a n dc o n v e r t t h i si n t e g r a t e dm a g n e t i c st op l a n a r i n t e g r a t e dm a g n e t i c sa n da c c o m p l i s ht h ep u 巾o s eo ff a r t h e rr e d u c em a g n e t i c s s v o l u m e w e i g h ta n dh e i g h t t h i sa r t i c l ea l s oc a r d e do u tn u m e r i c a la n a l y s i so nm a g n e t i c s b e f o r ec o n v e r ta n da f t e r , p r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h i sm e t h o db y s i m u l a t i o no na n s o f td e s i g n e ra n dc o m p u t a t i o no nm a t i a b f i n a l l ys u m m a r i z e d i n t e g r a t e dm a g n e t i c s sd e s i g nm e n t a l i t ya n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o di nh i g hf r e q u e n c y ， b i g c u r r e n ts i t u a t i o n ，t h ea s p e c t st h a ts h o u l db ea w a r eo fi ns u p p r e s s i o np o w e rs o u r c e r i p p l i n ga n dt h ep r o b l e mt h a td i f f i c u l tt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r si nv a r i o u se q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e le s t a b l i s h i n g i t so p t i m i z es o l u t i o na sw e l l k e y w o r d s ：h i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , m a g n e t i c si n t e g r a t e dt e c h n i q u e ， i n t e g r a t e dm a g n e t i c s , p l a n a ri n t e g r a t e dm a g n e t i c s 诹1 | i 亡工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者群：净1 郑撵日期：加7 年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全7 解学校有关保留、便用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复f _ - p 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 、， 学位黻储张言1 奔辉指导蝴挠伽豫 日期立优币月f 日、日期：咖曰年5 月日 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 开关电源的发展历程 电力电子技术的主要研究与应用内容是电能形式的变换技术，即通过电力电子 变流装置将电能的波形、频率和大小进行变换。1 9 5 5 年美国人罗耶( g h r o g e r ) 发 明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端， 1 9 6 4 年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体 积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1 9 6 2 年由于大功率硅晶体管的耐压 提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了2 5 l ( i z 的开关电源。 目前，电力电子技术的应用范围十分广泛。据统计，1 9 9 7 年，美国有4 0 的电 能要通过各类电力电子变流装置进行能量转抉，而蛩j 2 0 1 0 年，这一比例将提高到 8 0 。电力电子应用范围的扩大和应用水平的提高不仅引起量的扩张，而且对质 也提出了更高的要求o “”。下一代i n t e l 奔腾微处理器芯片所需要的供电模块 ( v 跚) ，不仅要求效率高，电源能与芯片集成。而且要求在1 2 一1 5 伏的低电压下， 提供5 0 一7 0 安的电流，而且电源的瞬态响应速度要达至 j 5 h n s h 】 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主 导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速 发展不可缺少的电源。1 。市场上出售的开关电源大多采用双极性晶体管制成的 l o o k h z 或者用m o s f e t 制成的5 0 0 k h z 的开关电源，虽已实用化，但其频率有待迸一 步提高。由于现有的开关器件工作频率升高后，存在电路中分布电感和电容或二 极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声等问题，故频率达到数姗z 的开关电源还 未实用化。当前，世界上许多国家都在致力于数m h z 的变换器的实用化研究。 国内开关电源技术的发展，基本上起源于2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初，当时引 进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在试验开发和教学阶段“1 。2 0 世纪8 0 年代中期开关电源产品开始推广和应用。2 0 世纪8 0 年代开关电源主要采用 2 0 k h z 脉宽调制( p w m ) 技术，其效率只能6 5 一7 0 。 经过2 0 几年来的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件 的开发和应用促进了开关电源的高频化，使用功率m o s f e t 和i g b t 可使用中小型开 关电源工作频率达到4 0 0 k h z ( c d c ) 或l 唧z ( d c d c ) ：软开关技术不仅可以减 少电源的体积和重量，提高了电源的效率( 可达9 3 ) ，还使高频开关电源的实现 湖北工业大学硕士学位论文 有了可能；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简 化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术( a p f c ) 的开发，提高了a c d c 开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了 开关电源的整体效率。 新型磁材料和新型变压器的开发，新型电容器和e m i 滤波器技术的进步，以及 专用芯片的研制成功。使开关电源实现了小型化，并提高了e m c 性能。微处理器监 控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。 另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向忉。通过控制电路的集成、驱动 电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化 减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。 回顾开关电源技术的发展过程，我们可以看到，高效率、小型化、集成化以及 高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。 1 2 磁技术在开关电源的发展中的作用 磁性元件作为电力电子装置中的关键器件。与电力电子技术本身的发展和应 用范围的扩大是密切相关的。但同时，高频磁技术本身的发展和突破又反过来带 动电力电子应用水平的提高和应用范围的扩大。可以说，目前高频磁技术在一定 程度上已成为推动电力电子技术发展的动力。磁技术的发展趋势主要体现在以下 几个方面“1 ： 1 高频化( h i g h - - f r e q u e n c y ) 开关频率的高频化( 几百千赫兹到数兆赫兹) 是电力电子产品技术含量高低 的重要标志。如果能够提高开关频率，就能减小功率磁性元件的体积和重量，从 而减小整个产品的体积和重量。根据理论分析，在相同的磁通密度下，频率提高 一倍，变压器的铁心截面积可以减小一半。同样，频率的提高可以减小电感器的 电感量。但频率的提高，将各引起磁件损耗的急剧增加，限制了频率的进一步提 高，因此，磁件的高频化是电力电子技术高频化的必然要求，也是磁件发展的最 重要趋势。 2 平面化( l 叩一p r o f i l e ) 每一个电磁元件，都是磁回路和电回路的耦合。对于一个线圈窗口面积和铁 心截面积一定的磁件，最优结构就是要求线圈回路和铁芯回路的长度最短，以减 小铁心体积和线圈长度。所以，铁芯的线圈窗口形状一般为圆形或宽高比不大的 长方形，比如，环形、日形、e 1 形罐形等块状的铁心结构，这使得磁件的高度比 2 湖北工业大学硕士学位论文 其他元器件高得多。随着电力电子装置轻量化，低截面的要求的提高，客观上要 求磁件具有较小的平面结构。平面结构的铁芯在理论上讲，就是窗口形状变为扁 长形，降低磁回路和电回路的利用率。对于常用铁芯结构来说，在高频情况下， 铁芯发热成为一个主要矛盾，但平面化的磁结构具有较大的散热面积，且使磁件 热点到磁件表面的热阻降低，从而提高功率密度；另一方面，磁心结构的平面化 必然带来绕组结构的平面化，从而带动了对平面结构绕组的研究。另外，平面绕 组便于制造，参数一致性好，适合采用多层印制板技术制造，也便于应用变压器 原副边绕组的层间交叠技术和匝间换位技术等 3 集成化( i n t e g r a t i o n ) 自从c u k 第一次提出了磁件集成化的思想后，磁件集成技术发展很快。集成 化实际上包含两方面含义：一是将多个磁性元件集成在一个铁芯结构上，充分利 用各个磁件在具体电路拓扑上的电压、电流关系以及磁路拓扑上的磁通、磁势关 系，实现多个磁件的集成，以减小体积，而且降低损耗。例如，将两个或多个电 感器制造在一个铁芯上，将变压器和电感器集成在一个铁芯结构上；二是将磁性 元件与线路板结合。例如直接将磁件的绕组制造在线路板上，采用厚膜技术将磁 心和绕组制造在硅片上等。对于功率变换电路，磁性元件对功率主电路的拓扑有 重要的作用。增加电感或使各个电感有所耦合对电路性能的提高有重要的作用， 但电感数量的增加往往相应增加了磁件的数量、体积和损耗。而如果采用磁集成 技术，则在电路拓扑上磁元件数量的增加并不一定意味着实际电路布置上磁结构 所占体积和磁件损耗的增加。所以，在研究电路拓扑时，不仅要从电路拓扑方面 考虑问题，还要注意将电路拓扑方案与磁件的可能的集成结构方案综合在一起研 究，达到磁件结构与电路结构的最佳组合。 4 阵列化( m a t r i x ) 为了打破磁件传统的块状结构方式，阵列化的磁结构将大块状的磁件结构离 散为呈分布式阵列布置的磁结构，或形成一层磁结构层。便于实现磁结构与线路 板或其它器件的紧密配合和集成。另一方面，传统结构磁件由于其铁芯和绕组损 耗的集中方日块状结构，使其成为温升较高的集中热源的热点。从整个电路的温 升力布来看，发热最集中，温升最高的往往在磁件( 包括铁芯和绕组) 上，所以， 阵列式磁结构的一个特点是使传统块状结构的集中发热变为阵列磁结构的均匀分 布发热，并大大增加了散热面积，从而使整个电路的温升分布趋向均匀，提高了 整个电路的功率密度。阵列化的另一个特别是通过增大面积，使磁件成为十分扁 平的磁层，从而满足对外形高度有特殊需要的功率变换器的结构要求。阵列式磁 件的铁心结构可以有各种形式，通过不同的绕组接线可以构造变压器或不同电感 3 湖北工业大学硕士学位论文 量的电感器。 5 混合化( h y b r i d ) 高密度功率变换模块的主要技术问题是实现各元器件的高度集成封装，提高 功率密度。电路分布参数在高频下所引起的电压尖峰和能量损耗是提高频率的一 个主要障碍。缩短各个元件之间的连线，可以减小高频电路分布参数的影响，降 低半导体器件上电压、电流的应力，减小能量循环，提高效率。高度集成封装不 仅减小了模块体积，更重要的是提高了模块的可靠性和效率。目前，国剑、的产 品已实现了有源器件的跳线( w i r e b o n d ) 集成封装。但无源器件一般仍为分立器 件。磁件的混合化就是将磁性元件和其它电路器件，如开关器件、二极管、电容 等合成制造在一起，以尽量缩短或消除器件之间的连线。例如，通过电感器箔形 绕组的层间分布电容来实现混合化的l c 滤波器，通过薄膜工艺将铁氧体材料和绕 组材料做在硅基片上，使二极管和变压器混合材料做在铁氧体基片上。由于磁性 元件包含铁心和绕组，这是混合化设计和制造的困难所在。 1 3 开关电源技术发展的十个关注点 关注点一：功率半导体器件性能 1 9 9 8 年，i n f i n e o n 公司推出冷m o s 管，它采用“超级结”( s u p e r j u n c t i o n ) 结构，故又称超结功率m o s f e t 。工作电压6 0 0 v 8 0 0 v ，通态电阻几乎降低了一个 数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。 另外，碳化硅s i c 是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：禁带宽、工 作温度高( 可达6 0 0 y ：) 、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、p n 结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。 可以预见，碳化硅将是2 1 世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。 关注点二：开关电源功率密度 电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备( 如移动电话，数字相机等) 尤为重 要。使开关电源小型化的具体办法有： 一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高p 删变换器的工作频率、从 而减小电路中储能元件的体积重量。 二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和 高功率密度。 压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压一振动”变换和“振动一电压”变换 的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究 4 湖北工业大学硕士学位论文 热点之一。 三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，必须设法改进电 容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电 容器，要求电容量大、等效串联电阻e s r 小、体积小等。 关注点三：高频磁与同步整流技术 电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁 元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小， 散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结 晶软磁材料也已开发应用。高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和 应用软开关技术它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。对于低电压、大 电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。 关注点四：分布电源结构 分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站( 如图像处理站) 、 大型数字电子交换系统等的电源，其优点是：可实现d c d c 变换器组件模块化； 容易实现n + i 功率冗余，提高系统可靠性；易于扩增负载容量；可降低4 8 v 母线 上的电流和电压降；容易做到热分布均匀、便于散热设计；瞬态响应好；可在线 更换失效模块等。现在分布电源系统有两种结构类型，一是两级结构，另一种是 三级结构。 关注点五：p f c 变换器 由于a c d c 变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单 相整流电源供电的电子设备，电网侧( 交流输入端) 功率因数仅为0 6 0 6 5 。采用 p f c ( 功率因数校正) 变换器，网侧功率因数可提高到0 9 5 o 9 9 ，输入电流t h d 小 于1 0 。既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源 功率因数校正a p f c 单相a p f c 国内外开发较早，技术已较成熟：三相a p f c 的拓扑 类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。 一般高功率因数a c d c 开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率a c d c 开关电 源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。 如果对输入端功率因数要求不特别高时，将p f c 变换器和后级d c d c 变换器组 合成一个拓扑，构成单级高功率因数a c d c 开关电源，只用一个主开关管，可使 功率因数校正到0 8 以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级 即s 4 p f c 变换器。 关注点六：电压调节器模块v 跳 电压调节器模块是一类低电压、大电流输出d c d c 变换器模块，向微处理器提 5 湖北工业大学硕士学位论文 供电源。现在数据处理系统的速度和效率日益提高，为降低微处理器i c 的电场强 度和功耗，必须降低逻辑电压，新一代微处理器的逻辑电压已降低至1 v ，而电流 则高达5 0 a i o o a ，所以对v r m 的要求是：输出电压很低、输出电流大、电流变化 率高、快速响应等。 关注点七：全数字化控制 电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字 控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设各中得到应用。 但是过去数字控制在d c d c 变换器中用得较少。近两年来，电源的高性能全数 字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并 制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。 全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片 价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确； 可以实现快速，灵活的控制设计。 关注点八：电磁兼容性 高频开关电源的电磁兼容e m c 问题有其特殊性。功率半导体开关管在开关过程 中产生的d i d t 和d v d t ，引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引 起强电磁场( 通常是近场) 辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备 造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，电力电子电路( 如开关变 换器) 内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的e m i 及应用现场电磁噪声的干 扰。上述特殊性，再加上e m i 测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里， 存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电 子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。近几年研 究成果表明，开关变换器中的电磁噪音源，主要来自主开关器件的开关作用所产 生的电压、电流变化。变化速度越快，电磁噪音越大。 关注点九：设计和测试技术 建模、仿真和c a d 是一种新的设计工具。为仿真电源系统，首先要建立仿真模 型，包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分 布模型等，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和e m c 模型。各种模型差别很 大，建模的发展方向是：数字一模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成 一个统一的多层次模型等。 电源系统的c a d ，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设 计、热设计、e m i 设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设 计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的c a d ，可使所设计的系统性能最优， 6 湖北工业大学硕士学位论文 减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是2 l 世纪仿真和c a d 技术的发展方向 之一。此外，电源系统的热测试、e m i 测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应 用也是应大力发展的。 关注点十：系统集成技术 电源设备的制造特点是：非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可 靠性低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、 成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成电源模块 的研究开发，使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等 目标得以实现。 实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化， 功率与控制电路的集成化，集成无源元件( 包括磁集成技术) 等发展阶段。近年来 的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑， 体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一 体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。 上世纪9 0 年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广 到更大容量、更高电压的电源系统集成，提高了集成度，出现了集成电力电子模 块( i p e m ) 。i p e b l 将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装，得到 标准的，可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。优点是 可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。 1 4 本文主要内容和研究意义 在开关电源器件日益成熟的今天，通过对开关电源中电磁器件的磁性研究，解 决电力电子在高频磁技术问题，对电力电子技术的发展有着非常重要的意义恻： l 、高频磁技术在电力电子技术方面具有十分广阔的应用前景； 2 、高频磁技术已经是电力电子技术中的重要内容； 3 、电力电子技术的发展对磁性元件提出了新的要求。随着现代电力电子技术 向着高频化、绿色化、集成制造、平面化以及高功率密度方向的发展，也对磁性 元件提出了更高的要求。磁性元件的高频化、集成化、平面化、阵列化、模块化 及高效率已成为磁件发展的必然趋势。 4 、国际上十分重视高频磁技术的研究和应用。美国、欧洲、日本等电力电子 技术强国都十分重视高频磁技术的研究与应用。近几年，在各种电力电子的国际 学术会议( 如a p e c 、p e s c 、l a s 、h f p c 、i e c o n 、e p e 等) 上，磁技术都已独立出 7 湖北工业大学硕士学位论文 来作为会议讨论和交流的专题内容，而且磁技术方面的论文数量在逐年增加。1 9 9 8 年的国际应用电力电子会议( a p e c ) 还将磁技术作为会议的学习专题内容。但是， 高频磁技术的研究目前在我国还设形成一定的研究规模，电力电子领域的的研究 人员往往对磁技术研究不大深入。因此，在我国开展高频磁技术的研究与应用对 我国电力电子技术的发展是十分重要的，必将推动我国电力电子技术的进步。 本文就是根据电力电子技术发展趋势，结合某大中型高频开关电源的变压器 进行磁集成技术的探讨。 1 5 本章小结 本章回顾了开关电源技术作为电力电子应用的一个重要分支，随电力电子技术 的发展和特点所表现出来的特点和发展趋势。而磁技术作为开关电源的关键器件， 在开关电源发展中所表现的几个发展趋势：高频化、平面化、集成化、阵列化、 混合化。同时也指明了本文研究的意义和内容所在。 8 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章开关电源的磁技术 2 1 集成磁件技术 2 1 1 集成磁件技术简介 磁性器件( 简称磁件) ，如变压器、电感，是开关电源的重要组成部分，它是 完成能量储存与转换、滤波和电气隔离的主要器件，主要从以下几个方面影响变 换器的整体性能“： 磁件是影响变换器体积、重量的主要因素：根据统计，磁件的重量一般是变 换器总重的3 0 4 0 ，体积占总体积的2 0 3 0 ，对于高频工作、模块化设 计的电源，磁件体积、重量所占的比例还要高于上面给出的数据： 磁件参数的选取( 指输出滤波电感的大小) 直接影响电源的输出电流脉动和 输出动态性能： 磁件的损耗影响变换器的效率； 磁件的寄生参数对开关管的电压、电流应力有很大的影响。 为了减小磁件的体积、重量，改善滤波性能，人们通常采用提高频率的办法， 但高频化的方法仍有一定局限性：一方面，频率的提高会受到整机效率的限制； 另一方面，为了减小磁芯损耗，磁芯高频工作时一般要降额使用，磁芯的利用率 不高，限制了磁件体积的减小。为进一步减小磁件的体积、损耗，同时保证变换 器的性能良好，研发人员对变换器中的磁件作了大量的研究工作，其中集成磁件 技术的应用就是一个很好的例子。集成磁件技术是将变换器中的两个或多个分立 磁件( d i s c r e t em a g n e t i c s ，d m ) ，如电感、变压器等，绕制在一副磁芯上，从 结构上集中在一起。d m 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 w ) 。为方便起见，将采用d m 的变换器或电路简称为d m 变换器或删电路，相应 有i m 变换器和i m 电路的定义。 2 1 2 集成磁件的定义 集成磁件实际上包含两方面含义“”：一是将多个磁性元件集成在一个磁芯结构 上，充分利用各个磁件在具体电路拓扑中的电压、电流关系以及磁路拓扑中的磁 9 湖北工业大学硕士学位论文 通、磁势关系，实现多个磁件的集成，以减小体积，提高开关电源的功率密度、 降低损耗、改善输出滤波效果( 例如将两个或多个电感器绕制在一个磁芯上) ；二 是将磁性元件与线路板结合( 例如直接将磁件的绕组制造在线路板上，采用厚膜技 术将磁芯和绕组制造在硅片上等) 。 采用集成磁件技术能够减小磁件的体积、重量，有时还能减小电流纹波、降低 磁件损耗、改善电源动态性能，对提高电源的性能及功率密度有重要意义。 2 1 3 集成磁件的历史回顾 由于磁件在电源装置中的重要作用，对磁技术的研究一直伴随着功率变换技术 的发展，其中对集成磁件技术的研究可以追溯到2 0 世纪2 0 年代。 最早的i m 是用于滤波电路中的耦合电感。1 9 2 8 年美国人g b c r o u s e 提出采 用i m 滤波电路的专利申请“。发明者采用耦合电感的目的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，才逐渐认识到耦合电 感能减小电流脉动。 自g b c r o u s e 提出i m 应用电路后的4 0 年间，集成磁件技术的研究一直局限 在电感与电感的集成。直到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，将变压器和电感集成在一起，并称其为“c o m b i n e dt r a n s f o r m e r a n d i n d u c t o rd e v i c e ”“”“”，i m 的概念才初步显现，集成磁件技术也进入了多种磁件 集成的时代。 从2 0 世纪的7 0 年代末到8 0 年代中期，集成磁件技术得到了相当的发展，其 中以s l o b o d a n c u k 及g o r d o nb l o o m 等人的贡献较为突出“”。在7 0 年代末， s l o b o d a n c u k 将集成磁件技术成功地应用在c u k 变换器，引起人们对集成磁件技 术的关注。s l o b o d a n c u k 不仅实现了c u k 变换器中所有磁件的集成，而且发现， 通过合理设计磁件还能同时减小输入、输出电流脉动，甚至实现零纹波。另外， c u k 在其专利文献中还提到耦合电感可以改变不隔离型c u k 变换器的输入输出关 系。耦合电感的这一特点后来被用于其他多种非隔离型变换器中。8 0 年代后， g o r d o nb l o o m 较系统的总结和介绍集成磁件技术的意义、发展及分析方法。其中， 细致地分析了耦合电感减小电流脉动的机理，明确指出用集成磁件技术抑制电流 纹波可应用于多种变换器。此外，给出由d m 正激变换器导出其i m 变换器的详细 过程，并将源转移( s o u r c es h i f t i n g ) 等效变换方法应用在i m 的变换中，导出 了i m 正激变换器和隔离的i m - b o o s t 变换器的多种方案，使四种基本的隔离型叫 变换器都有了与之对应的i m 变换器”。 湖北工业大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代中，集成磁件技术的优点虽然得到认可，但除了被用于多路输 出电源外，在其他电源产品上的应用非常有限，主要有以下几个原因限制其应用 瞄】： 设计比较复杂：与删相比，i m 的设计是多磁路设计，难度略大； i m 的绕组结构比较复杂，制作相对困难。用传统的绕制方法，不仅会降低 生产效率，而且不易保证磁件寄生参数的一致性，降低了i m 的实用价值。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着扁平磁件应用的推广，磁件生产自动化程度的提高， i m 的应用变得相对容易；同时，电源的不断发展也对其体积、输出动态性能、效 率等提出了较高的要求，尤其是微处理器的飞速发展对新一代高功率密度电源提 出了更大的挑战，这些都促进了集成磁件技术的研究与应用。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 t e rr e c t i f i e r ，c d r ) 的两个滤波电感和变压器进行 集成嘲，使i m 在大电流输出的场合具有了很好的应用价值。这一研究使集成磁 件技术成为新的研究热点。这段时期内，磁集成的研究内容从具体电路中的应用 拓宽到i m 的新的分析方法、仿真模型的研究。集成磁件技术被应用在多种场合， 如电压调整模块( v o l t a g er e g u l a t i o nm o d u l e ，v 跚) 、功率因数校正校正变换器、 谐振变换器等，以减小磁件体积、电流纹波和铁心损耗删。 。 与国外相比，国内对集成磁件技术的认识和研究都十分有限。国内对集成磁件 技术的介绍从2 0 世纪9 0 年代才开始。最早在1 9 9 0 年版的开关稳压电源中介 绍c u k 变换器时，简要提到了集成磁件技术的作用哪! ：可减小c u k 变换器的体 积重量；通过恰当的参数设计，能实现c u k 变换器输入、输出纹波电流减小甚 至到零。之后，清华的蔡宣三教授对i m 的概念和分析方法以及i m c u k 变换器的 基本原理作了详细的介绍。”。国内对集成磁件技术研究的开展非常有限，据了解， 目前国内仅有福州大学磁学研究所、台达上海电力电子研发中心以及南京航空航 天大学航空电源重点实验室正在从事相关的研究，国内关于集成磁件技术的研究 报道很少。 2 2 磁件分析方法 磁件分析所采用的基本原理是磁路的基本定律及电磁感应定律。 1 、电磁感应定律、磁动势定义式 ，一妒；i 一，( 2 一1 ) 2 、磁通连续性原理、安培环路定律和磁路的欧姆定律 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 丸；丸；l = u ，；u 。= 脚 ( 2 2 ) 磁件建模理论依据之间的内在联系可用图2 1 表示。 v 电磁感应定律 1 3 , 中f 磁通连续 性原理、 磁性材 料特性 h ，u - 图2 i 磁件建模理论依据 为了分析磁件对电路的影响，一般需要建立磁件的等效电路，本章主要介绍现 有的四种建立磁件等效电路的方法啪1 。 2 2 1 磁件电路模型的建立方法 1 磁阻磁路等效建模法 电感和变压器的磁阻磁路模型如图2 2 ( b ) 、图2 2 ( d ) 所示。该类模型优点是 建模简便，能够直观反映磁件结构，是建立其他各类模型的基础。但是缺点是没 有体现电磁感应定律，不能完整反映磁件工作原理。 路 ( 曲变压器 ( d ) 变压曩等效电路 图2 2 磁组磁路建模 黼 一 等 量一 以一 母一鼻国 朋 协 肘 羽替 湖北工业大学硕士学位论文 2 磁导一电容类比建模法 磁导一电容类比建模法是根据b u n t e n b a c h 提出的磁路参数与电路参数的类比 关系，直接由磁件建立回转器和电容表征的磁件等效电路模型。根据建模方法所 用类比关系的特点，将其称为磁导一电容类比建模法。 舢= 一口冠午鲫0 ，) 绕组的目转曩- 电容模型略娩组的电仿真收曼 图2 3 绕组的回转器一电容模型和响应的仿真模型 在这种建模方法中，绕组可以被看作连接磁路与电路的二端口元件，如图2 3 ( a ) 所示。由法拉第电磁感应定律及磁动势的定义，可知对于n 匝绕组有式( 2 3 ) 成立： 州磊n 。f 纠 ( 2 - 3 ) 既然妒和f 分别类比于电路中的电流和电压，式( 2 - 3 ) 给出的函数关系与电 路中的二端口元件一回转器的特性相一致，因此引入回转器作为绕组的等效电路模 型，如图2 3 ( b ) 所示。显然绕组匝数n 相当于回转电阻，相应成为有量纲参数， 单位为q 。 用回转器模型表示磁件绕组，电容模型表示磁导，就能得到磁件的等效电路模 型。显然等效电路能同时直接反映磁件的电路和磁路特性，包括绕组的电压、电 流和磁芯的磁通。由于等效电路模型用回转器和电容来表征，所以称其为回转器一 电容模型。 用电流控制电压源代替回转器，如图2 3 ( c ) 所示，可进行电路仿真。利用 回转器一电容模型来仿真，可以方便地加入磁芯的非线性特性如磁饱和特性等汹一， 使仿真结果更加准确。 3 电感一变压器表征建模法 电感一变压器表征建模法是根据电路中的对偶原理，其对偶原则如下：串联与 并联互换，参数为n 的回转器与变比为n ：1 的理想变压器互换；电容值为a 的电容 与电感值为的电感互换。如果导出了电路某一个关系式和结论，就等于解决了与 它对偶的另一关系式和结论。在建模中，如果推导出一种等效电路模型有效，相 湖北工业大学硕士学位论文 应地其对偶电路模型也同样有效。 3 翻 ( 丑) 理惹变压曩 ( b ) 电感 ( c ) 变压薯 图2 4 电感一变压器表征建模的推导过程 图2 4 就是电感一变压器表征建模的推导过程。电感一变压器表征建模法用理想 变压器表征磁件中的线圈，反映电路与磁路之间的联系，电感拓扑结构反映磁路 的对偶拓扑图。该模型可以完整地反映磁件的基本工作原理，模型中的磁心特性 参数相对独立，磁心的饱和、滞环等特性可以较方便地加入其中，得到其扩展完 善模型。 电感一变压器表征建模法的建立方法比较直观、简洁，可以方便地确定模型中 的参数，人们更容易接受用电感、变压器表征的磁件电路等效模型。模型中的理 想变压器变比为其所表征线圈的匝数，而理想变压器电路推导相对于回转器电路 推导要简便。该模型与常用电路相通，便于电路的直接分析、比较。它与磁导一电 容类比建模法相比，模型中参数的物理意义更明确。 4 自感互感建模法 对于电感一变压器模型，利用电路拓扑结构，分析一线圈电压与另一线圈电流的 关系，得到两线圈之间的互感值。分析线圈电压与自身电流的关系，得到自感值， 从而推出自感互感等效电路模型。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 o 品 ( a ) 电蓐( ”变压蕃 图2 5 电感一电压器的直感互感等效电路模型 图2 5 所示为电感与变压器的自感互感等效电路模型。采用这类模型进行电路 分析最为方便，但这种模型的建模过程计算复杂，模型所需参数多，磁一1 5 的饱和、 滞环等特性难以加入其中，假如非线性非常严重，该模型计算出的结果误差大， 并且该模型不能反映磁件的内部拓扑，不能分析磁件内部特性。 2 2 2 磁集成对磁件的影响 根据电磁感应定律及磁路的基本定律，可分析磁集成对磁件的影响： l 、磁集成前后绕组匝链的交变磁通一般不