（电工理论与新技术专业论文）采用集成磁件的低压大电流输出dcdc变换器研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t h ee v o l u t i o ni ni t e g r a t e dc i r c u i t sf o rd a t ap r o c e s s i n gs u c ha sm i c r 0 - p r o c e s s o r sp o s e s e wc h a l l e g e sf o r t h e i rp o w c rs u p p l i e s t h er e q u i r e m e n t sa f e l o w e ro u t p u t v o l t a g c s w i t hh i g h c rc u r r 锄t s ，f a s tt r a n s i e n tc a p a b i l i t i e s ，h i g h p o w e rd e n s i t y j h i g hc f f i c i c n c ya n dh i g hr c l i a b i l i t y t h cm a g n c t i c si n t c g r a t i o n ( m i ) t e c h n i q u c sc 蛆h e l pt h ed i s c ”t em a g n e t i c s ( d m ) i nt h cs w i t c h m o d ep o w e r c o n v e r t c r st or e d u c ct 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 t a sar e s u l t ，t h c p o w c rd c n s i t ya n dt h cc a p a b i l i t yo f t h cp o w e rc o n v c n e r sc a nb ci m p r o v e d t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oa n a l y z et h em i sa p p l i c a t i o ni nl o w - v o l t a g ch i g h c u r r e n to u t p u td c ，d cc o n v e n e r s a n dt h i sd i s s e r t a t i o ni sh e l p f h l f o ru n d e r s t a n d i n gt h e柚a l y s i s ， d e s i g n ，m o d e l i g a ds i m l l l a t i o no ft h e i n t e 伊a t c dm a g n e t i c s ( i m ) f i 埔t l y t h i sd i s s e r t a t i o ni n t f o d l l c e st h et e c h n i q u e su s i n gi nl o w v o l t a g e h i g h - c u 玎e to u t p u td c d c c o v e r t c r si nr e c e n ty e a r s ，d c t a i l e d l ya n a l y z e st h e t h e o r yo f t h em i ，t h c ng e n e r a l i z e st h em e t h o d s0 ft h em it e c h i q u e s a p p l i c a t i o n sa n di mm o d c s ，e l u c i d a t e st h eg e n e r a lp r o c e s so fr c s e a r c h i n g i m s s e c o n d l y ，t h i sd i s s e n a t i o ne d u c c st h ep r o m i s i n gt o p o l o g i e sf o ri s o l a t e d l o w v o l t a g ch i g h c u r r e n to u t p u t d c d cc o v e n e r s b ya a l y z i n g a n d c o m p a r i n gt h cb a s i ct o p o l o g i e so ft h ed c ，d cc o n v c n e r s b a s e do t h ea n a l y s i s a n dc o m p 盯i s i o no fd i f f c r e n ti m s ，t h ea p p r o p r i a t ei mi sc h o s e n t h u st h r c ei m l o w - v 0 1 t 珏g eh i g h c u 玎e n to u t p u td c ，d cc o n v e r t e r sa r eg a i n e d 。 f i n a l l y ，t h i sd i s s 时t a t i o nd e t a i l e d l ya n a l y z c st h ei mh a l fb r i d g cw i t h c u r r e n td o u b l e rr c c t i f i e r ( h b - c d r ) c o v e r t c ra n de s t a b l i s h e si t si m sp s p i c e s i m u l a t i o nm o d e l t h ci mh b - c d rc o n v e r t e ri sd e s i g c di t h et h c s i s i t s s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v c na sw e l l k e y - o r d s ：d c d cc o n v e r t e i ；i 力w v o l t a g eh i g h - c u r r e n t ； m a g n e t i c si n t e g r a t i o n ；c u r r e n td o u b l e rr e c t i f i c r ； s y m m e t r i c a lh a l fb r i d g e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 电力电子技术以其灵活的功率变换方式和丰富的控制方法，近年来发展 迅猛。目前，它已逐步发展成为一门包含更多学科的综合性学科，并对为现 代通信、电子仪器、计算机、工业自动化、电网优化、电力工程、国防及某 些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电能起着关键的作用。开关电 源技术是电力电子技术的一个重要分支，主要是研究a c d c 、d c d c 两种 功率变换。开关电源技术发展至今，经历了功率半导体器件、高频化和软开 关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段f 1 】。 计算机、通讯产品的核心部件是微处理器( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ，c p u ) 等典型的数据处理集成电路。对于其供电电源而言，这些数据处理电路构成 一类特殊的负载。此类负载的特点是：工作电压较低、电流较大，各种工作 状态相互转换时对应的电流变化率极高。目前国外很多研发机构、公司已经 针对高速微处理器这类特殊负载的供电电源进行了广泛深入的研究，并把这 一研究热点给以专有的名称v r m ( 、，o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ) ，即电压调节 模块【”。 电压调节模块是一类低电压、大电流输出的d c d c 变换器模块，向微 处理器等数据处理电路提供电源f 3 】。下面以微处理器为例说明数据处理集成 电路对其供电电源的要求。正如摩尔定律预测的那样“晶体管的密度将会每 1 8 个月翻一番”，c p u 内部晶体管的密度在过去的2 0 年里稳步增长，i t e l 的 c p u 单个管芯中晶体管数目的增长情况如图卜1 所示【”。随着c p u 集成度 的提高，其性能也以惊人的速度在提高，例如c p u 的时钟频率从8 0 0 8 的 2 0 0 k h z 到p e n t i u m 的3 o g h z 只用了不到3 0 年的时间( 如图卜2 ) i ”。对 c p u 来说，由于集成度的提高，考虑到晶体管间的安全绝缘距离。必须降低 它的工作电压；而时钟频率的提高，运算速度也随之增加，因此它的工作电 流必须要增加。图卜3 给出了i n t c l 公司对v r m 输出电压和输出电流的预测， 由图可见其输出电压将降到l v 以下，输出电流则将增大到2 0 0 a 【6 】。 随着c p u 运算速度的提高，它在“休眠模式”和“工作模式”两个工作 状态之间切换的速度也越来越快了，因而它的电流变化率d i d t 也越来越大。 图卜4 是i n t c l 给出的c p u 对d i d t 的要求的趋势预测，由图可见到2 0 1 0 年， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 警甥! 呐慧噍_ _ 蜘释分鐾蠢i il 。“：一- 赫 q 嘲并 ? 囔哩。- 嚷蔷汹。蜥邋 o 翩 i | i f 黪臀帅x m 螋= ：! j | ；_ ；! - 脚鬈i j ! | ；i| ；：* e 譬。复 | _ | = = i i k ；黼蝴1e ；i - ：e - ：= i 置_ j j | 1； ；= ? 1 9 珀 图卜1c p u 单个管芯中晶体管数目的增长 ，目t h 芝 瑚 而 _ ， 厂 一嚣 ji a 帕 0 。堵 时删f m 图卜2c p u 时钟频率的提高 图卜3i n t e l 公司对v r m 输出电压电流的预测 萋 蠡 舞 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 耋 g l ， ， r ， r ，一 一一一厂 图卜4i n t c l 公司对v r m 输出电流变化率的预测 d i d t 将达到1 2 0 a n s 【6 】，这就要求v r m 要有足够的动态响应速度。同时， c p u 对输入电压纹波要求也会越来越高，v r m 9 o 和v r d l o o 规定：v r m 的输出电压的静态及动态纹波要小于2 【 】。 可见，随着c p u 等数据处理集成电路运算速度和集成度的不断提高，向 对其供电的电源提出了愈来愈高的要求，要求供电电压越来越低、供电电流 越来越大、动态响应速度越来越快和输出电压纹波继续降低，这些需求在有 力的推动着低压大电流d c d c 变换技术发展的同时也向其提出了严峻的挑 战【8 l 。近年来，人们对低压大电流d c d c 变换器的研究方兴未艾，各种拓 扑结构层出不穷，同步整流、交错并联、磁集成等新技术也应用于其中。 1 2 低压大电流d c d c 变换器的技术指标和应用技术 低压大电流d c ，d c 交换器的性能优劣是通过其技术指标来衡量的，这 些技术指标主要包括：动态响应速度、尺寸、效率、功率密度等。为了满足 以上技术指标的要求，电源技术开发人员发明并采用了多种适合于低压大电 流d c d c 变换器设计的应用技术。正是这些技术的研究和使用，使低压大 电流d c d c 变换器的各项技术指标都有了极大的提高，这些应用技术包括： 高频化、同步整流技术、交错并联技术、磁集成技术、软开关技术等。 1 2 1 低压大电流d c d c 变换器的技术指标 衡量低压大电流d c d c 变换器性能优劣的技术指标主要有： 1 动态响应速度 动态响应速度是指负载变化时电源的转换速度。新一代高速数据处理电 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 路将以更快的速度工作，在其各个工作状态的互相转换中，对应的电流变化 率也将更高。对其供电电源而说，将面临着更加快速的负载突变，所以要求 其供电电源变换器具有更快的动态响应速度，来满足高速数据处理电路对稳 定输出电压的严格要求。目前，v r m 的动态响应速度一般在几十a n s l 6 】。 2 尺寸 由于低压大电流d c d c 变换器主要应用于微处理器等器件，所以在考 虑它的稳定性的同时，尽量的小型化是它的一项重要技术要求。低压大电流 d c d c 变换器的尺寸主要是由其中的变压器和滤波电感等磁性元件决定【”。 而磁性元件的体积则取决于它所储存的能量，磁性元件所储存的能量又与其 电感和流过电流的平方的乘积成正比。这样在流过电流不变的情况下，适当 减小磁性元件的电感值，就可以达到减小低压大电流d c ，d c 变换器尺寸的 目的。 3 效率 开关变换器的效率的是指其输出功率与输入功率之比。p w m 开关变换 器按硬开关模式工作，在开关过程中，电力开关器件的电压和电流波形有交 迭，因而开关损耗大；另外，高频化也会使开关损耗也增大。为此必须要采 取措施提高开关变换器的效率【”。现在一般的低压大电流d c d c 变换器的 效率可以达到7 0 8 0 ，高的可以达到9 0 以上。 4 功率密度 开关变换器的功率密度就是其单位体积里的功率。随着低压大电流 d c d c 变换器的尺寸越来越小，它的功率密度也相应的增加了。但随着功率 密度的增加，模块的散热问题却越来越突出了。 1 2 2 低压大电流d c d c 变换器的应用技术 为了满足上述技术指标提出的更高要求，实现低压大电流d c d c 变换 器的高频化、高功率密度、高效率以及快的动态响应速度，多种技术被应用 到低压大电流d c d c 变换器的设计与制作中，这些应用技术主要有： 1 高频化 提高低压大电流d c d c 变换器的开关频率是减少其尺寸，从而提高功 率密度的最有效的手段，同时能改善其动态性能【l o 】。而开关变换器开关频率 的提高，依赖于开关器件各项技术指标的提高。开关器件从早期的半控型器 件( 如晶闸管) ，发展到现在的全控型器件( 如m o s f e t 、i g b t 、m c t ) ， 又经过研发人员的不懈努力，这些器件本身的各项技术指标也取得了长足发 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 展，在耐压、耐流、频率等诸方面都取得了很大的突破【3 l ，从而显著改进了 开关变换器的性能，使其有可能实现高频化。在低压大电流d c d c 变换器 里，普遍使用的是m o s f e t 。虽然m 0 s f e t 耐压较低，但其开关频率在现 有开关器件中却是较高的，一般可以达到3 0 0 一5 0 0 k h z 的开关频率。通过使 用m o s f e t 作开关管，就可以实现低压大电流d c ，d c 变换器的高频化。 2 同步整流技术 输出电压为3 5 v 的低压大电流d c d c 变换器，一般采用肖特基二极管 ( s c h o l t k yb a r r i c rd i o d c ，s b d ) 作为整流管。但即使是很好的s b d ，也很难 获得低于o 3v 的正向导通压降，因而整流管的导通损耗占总损耗的比例很 大，降低了电源的效率。而现在的低压大电流d c d c 变换器的输出电压已 经降到几乎可以和s b d 正向压降可比的程度。这样导通功耗将很可观，s b d 将不能满足低压大电流d c d c 变换器的功率要求。因此在现在的低压大电 流d c d c 变换器中，经常采用同步整流技术，即用m o s f e t 管代替常规的 s b d ，实现其栅极和源极之间的驱动信号与其漏极和源极之间开关信号同步， 以使同步整流管起到和整流二极管同样的作用，即正向电压导通，反向电压 关断。由于作为整流器的m o s f e t 的开关和主电路的m o s f e t 的开关的控 制时间一致，因而成为同步整流器。用于同步整流器的m 0 s f e t 管导通电阻 非常小( 一般只有7 3 0 m 0 ) ，正向导通压降很低( 例如1 5 a 时只有o 1 v ) ， 因而导通损耗小，可以有效的提高低压大电流d c d c 变换器效率【“】。 3 交错并联技术 交错并联是指并联运行的各电源模块的控制信号频率相同，相角互相错 开j ，它是目前低压大电流d c d c 变换器中常用的拓扑结构( 如图1 5 ) 。 采用交错并联技术，可降低变换器对滤波器和磁性元件的要求，从而提高变 换器的功率密度；同时滤波器容量的减小可以提高变换器的瞬态响应特性； 另外，还可以极大的减小滤波电容上的电流纹波【1 2 】。可知，交错并联技术的 应用能在多方面提高变换器的性能。 图卜5两相交错并联b u c k 变换器拓扑 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 4 磁集成技术 通常人们用提高开关频率的方法获得变换器的小型化，但受到磁性元件 的限制，高频化的方法有一定的局限性。频率的提高，会带来磁芯损耗的增 加，因此高频工作时磁芯一般要减额使用，磁芯的利用率降低，限制了变换 器体积的进一步减小。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，研发人员研究了磁集成技术的应用。磁集成技术是将变换器中的 两个或多个分立磁件集中绕制在一副磁芯上，从而在结构上集中在一起。采 用磁集成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l 。 图1 6 为倍流整流电路拓扑及它的一种磁集成方式【“i 。 ii 上1 i 4 一了 耷：t n p i | | i l一上 主刚 h i ll i 一 ( a ) 倍流整流电路拓扑( b ) 倍流整流电路的一种磁集成方式 图卜6倍流整流电路拓扑和它的一种磁集成方式 5 软开关技术 开关变换器按硬开关模式工作时，在开关过程中，开关器件的电压和电 流波形有交迭，因而有较大的开关损耗，它与开关频率成正比；并且电流电 压尖峰带来的电磁干扰可能影响变换器的正常工作。为了提高变换器的效率， 降低电磁干扰水平，必须研究开关器件电压和电流波形不交迭的技术，即软 开关技术 ”。这里讲的软开关技术，是指零电压开关( z v s ，z c r ov 0 l t a g e s w i t c h i n g ) 和零电流开关( z c s ，z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 技术。它是利用 谐振原理，使开关器件的电流( 或电压) 按正弦( 或准正弦) 规律变化，当 电压过零时，使器件开通( 或电流自然过零时，使器件关断) ，实现开关损耗 为零，从而提高开关频率，减小交压器、电感的体积。软开关技术大致可分 为三类：谐振变换器、有源钳位z v s 变换器和零开关一p w m 变换器。目前， 软开关技术己在国内外多种开关变换器中广泛应用。 a盈b 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 低压大电流d c d c 变换器的控制技术 开关变换器的控制技术对于提高变换器的整体性能有着重要的意义。目 前，电压型控制、电流型控制及多环控制( m u l t i 1 0 0 pc o n t r 0 1 ) 已得到较普遍 应用，v2 控制、电荷控制( c h a r g c c 仰t r 0 1 ) 、单周期控制( o n e c y c l e c o n t r 0 1 ) 、 数字信号处理器( d s p ) 控制等技术的提出及相应专用集成控制芯片的研制， 使开关变换器闭环控制性能有很大的改善，同时控制电路也大幅度简化。 巩 图卜7电压型控制原理图图卜8电流型控制原理图 控制电路中各单元电路过去多采用分立元件及单片集成块来实现。随着 微电子技术的发展，近年来己研制出各种集成调制控制器，这些集成块包含 了控制电路的全部功能，只需外加少量外围元件就能满足控制要求，不仅简 化了设计计算，且大幅度的减少了元器件数量和连接焊点，使变换器的可靠 性大大提高。其中集成p w m 控制器以其简单、可靠及使用方便灵活的优点 得到迅速发展。现在的集成p w m 控制器的功能愈加完善，通用性更强。 1 4 本文的主要工作 本文以磁集成技术的应用为基础，结合对4 8 v 输入隔离式的低压大电 流输出d c d c 变换器拓扑的选择，得出了合适的采用集成磁件的低压大电 流输出d c d c 变换器拓扑结构，并对采用集成磁件的对称半桥倍流整流变 换器进行了分析、设计与仿真验证。 本文在结构上的安排如下： 第一章，介绍本文研究课题的学术背景及理论与实践意义。 第二章，对磁件的集成方式以及磁集成技术在多种场合应用的方法进行 较为全面的总结，并阐述磁件的分析方法以及建立磁件等效电路的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第三章，对已有的d c d c 变换器拓扑进行分析、比较，得出适合于4 8 v 输入的隔离式低压大电流输出d c d c 变换器拓扑。对倍流整流电路的磁集 成方式进行比较，选择适当的磁件集成方式将其应用在分析得出的变换器拓 扑中。 第四章，在对一种采用集成磁件的对称半桥倍流整流变换器各个工作状 态进行分析的基础上，从理论上得到磁集成后的一些电路参数进而分析磁集 成的优越性。并利用磁导一电容类比建模法建立这种变换器中集成磁件的 p s d i c e 仿真模型。 、 第五章，设计所分析的采用集成磁件的对称半桥倍流整流变换器，对理 论分析结果进行仿真验证。 最后，指出设计的不足以及改进的方法，提出下一步的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章磁集成技术原理分析 磁集成技术有利于变换器的小型化，降低损耗、降低寄生参数，也便于 开发集成电力电子系统。本章较为系统的介绍磁集成技术的发展概况。总结 并分析了常用的磁件分析方法、集成方式以及磁集成技术在开关变换器中的 实现方法。同时介绍了研究采用集成磁件变换器的一般过程。 2 ，磁集成技术发展概况 2 1 1 磁集成技术简介 磁性器件( 简称磁件) ，如变压器、电感，是开关电源变换器中的重要 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。磁件的 体积、重量、损耗和参数等对开关变换器的体积、重量以及整体性能有较大 的影响【廿l 。所以，开关电源的“轻、小、薄”离不开其磁件的“轻、小、薄”。 为了既能保证变换器的性能良好，又能尽量减小它的体积、重量和损耗，研 发人员对交换器中的磁件作了大量的研究工作，磁集成技术的应用就是其中 一个很好的例子。磁集成技术是将变换器中的两个或多个分立磁件f d i s c r e t e m a g n c t i c s ，d m ) ，如电感、变压器等，绕制在同一副磁芯上，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 c g r a t c dm a g n c t i c s ，i m ) 。为了 表示方便，将采用d m 的变换器或电路简称为d m 变换器或d m 电路，相应 的有i m 变换器和i m 电路的定义。 磁集成技术的研究内容可分为两大类：一类是研究磁件的分析方法，磁 件分析方法为研究磁件对电路性能的影响提供分析工具；另一类是研究磁集 成技术的具体应用，主要解决如何在具体应用场合发挥磁集成技术的作用。 2 1 2 磁集成技术的发展历史 晟早的i m 是用于滤波电路中的耦合电感。1 9 2 8 年g b c r o u s c 提出采用 1 m 滤波电路的专利申请。从此之后的4 0 年问，磁集成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 c i i 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到一起，并称其为“c o m b j n c d t r a n s f o r m e r a n di n d u c t o rd c v i c e ”，i m 的概念才初步显现，磁集成技术也进入 了多种磁件集成的时代。 在2 0 世纪7 0 年代末，s l o b o d a n c l l k 将磁集成技术成功地应用在c u k 变 在2 0 世纪7 0 年代末，s i o b o d a n c l 】k 将磁集成技术成功地应用在c u k 变 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 换器，引起人们对磁集成技术的关注。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。2 0 世纪8 0 年代后，g o f d o n 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，明确指出用磁集成技术抑 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d m 变换器都有了与之对应的i m 变换器【”，1 6 ，l ”。 在2 0 世纪8 0 年代期间，磁集成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。这主要是因为i m 的设计过程非常复杂，且绕组制作相对困难。2 0 世纪9 0 年代后，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 些都促进了磁集成技术的研究与应用。1 9 9 7 年我国福州大学的陈为教授将倍 流整流电路( c u r r c n td o u b l c 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 集成口”，使i m 在大电流输出的场合具有了很好的应用价值，这一研究使磁 集成技术成为新的研究热点。在此之后，研发人员对磁件集成作了很多的研 究工作，使用耦合电感的概念对多相b u c k 电感集成做了深入研究，且应用 于各种不同类型的变换器中【l b ，1 ”，并提出一系列对于磁集成技术的探讨与设 计啪，2 嵫1 。现在，磁集成技术的研究内容从具体电路中的应用拓宽到集成磁 件新的分析方法、仿真模型的研究。磁集成技术被应用在多种场合，如v r m 、 功率因数校正变换器、谐振变换器等，以减少磁件体积、电流纹波和铁芯损 耗【廿】。目前，国外已有i m 变换器产品的报道。例如，5 0 w 、5 v 及1 5 v 两 路输出的1 0 0 k h z 正激i m 变换器，它的变压器和输出滤波电感集成在一个磁 芯上；再如，应用混合功率封装技术和磁集成技术使航空用o 5 m h z 、薄型 1 0 0 w 半桥式d c d c 变换器，其厚度仅有0 2 1 i n ，功率密度达1 5 0 w i n3 【”。 2 1 3 磁集成技术的发展趋势 常规的磁件设计方法极其繁琐且需要从不同的角度来考虑，如磁芯的大 小选择，材质与绕组的确定，及铁损和铜损的评估等。磁集成技术除此之外， 还必须考虑磁通不平衡的问题，因为磁通分布在铁心的每一部分其等效总磁 通量是不同的，有些部分可能会提前饱和。因此，磁性器件集成的分析与研 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 究将会更加复杂与困难。但是，其所带来的高功率密度的优势，必是将来通 信用开关电源的一大发展趋势。 随着未来电源的发展、新型磁性材料和磁芯的出现，对磁集成技术提出 了更高的要求：一方面，要求进一步拓宽磁集成技术的应用领域，既要扩大 应用场合，还要发掘i m 的新功能；另一方面，要求研究适用于新的磁性材 料与磁芯结构的磁集成技术。 2 2 磁件的分析方法 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。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。另外，磁件分析中常 常要对磁件做等效交换。 2 2 1 建立磁件等效电路的方法 1 磁路一电路对偶变换法【“”1 印7 l 磁路一电路对偶变换法是根据磁件的磁路模型，通过对偶变换等方法导 出磁件的电路模型【9 】。用磁路一电路对偶变换法推得的磁件等效电路可用来 分析磁件的电路与磁路特性，适于用作理论分析。 建立磁件等效电路的过程大致分为四步： 第一步：根据磁路欧姆定律，得到磁件的等效磁路； 第二步：在等效磁路基础上，运用对偶原理，得到等效磁路的对偶图； 磁路对偶变换的方法与电路对偶变换的方法】基本相同，即将磁动势 f 变为磁通，磁通中变为磁动势，磁阻避变为磁导，串联与并联互换。对偶 变换的目的是将磁动势包含的f 与电路的电流f 、磁通中与电路中的电压v ( v = 毋) 建立联系。 第三步：对上一步得到的对偶图进行尺度变换，得到电流、磁链的关系 图以便于应用法拉第电磁感应定律得到等效电路； 第四步：根据法拉第电磁感应定律及变压器的阻抗变换原理，得到等效 电路。 用磁路一电路对偶变换法得到的磁件等效电路用电感和理想变压器来 表征，与常用的电路描述方法相同，便于将i m 电路与d m 电路进行比较。 但但这种方法不适合分析磁芯结构复杂的磁件乜“，而且所建立的磁件等效电 路也不能直接反映出磁件电路参数与磁路与磁路参数的特性【巩“，推导过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 也比较繁琐，为此人们提出了另一种建立磁件等效模型的方法：磁导一电容 类比建模法。 2 磁导一电容类比建模法i ”瑚2 1 “搿l 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( 见表2 1 ) ，直接由磁件建立回转器和电容表征的磁件等效电路模 型【1 9 】。用磁导一电容类比建模法推导磁件的等效电路相对简便、直接，得到 的回转器、电容表征的等效电路( 即回转器一电容模型) 能同时完整的反映 磁件的电路与磁路特性，适合磁件的精确仿真研究。 表2 1b u n t e n b a c h 提出的磁路与电路基本参数的类比关系 磁路参数电路参数 名称符号单位名称符号，单位 磁动势( m m d f = f ( a )电压( v 0 l t a g e ) v ( v ) 类 磁通变化率 比 ( f l u xr a t e ) 中( w b s )电流( c u r r e n t ) f ( a ) 量 磁导( p e r m e a c e ) 以 ( h )电容( c 8 p a c i t a n c e ) c ( f ) 磁通( f l u x ) 西2 户出( 呐) 电荷( c h 缸g e ) 鼋。，f 协( c ) 磁导率电导率 ( p c m e a b i i i t y ) f ( 刚m ) 口 ( s m ) ( c o n d u c t i v i t y ) ( a ) 二端口元件一绕组( b ) 绕组的回转器一电容模型( c ) 绕组的电路仿真模型 图2 1 绕组的回转器一电容模型和相应的仿真模型 根据表2 1 所示的类比关系，绕组可以被看作连接磁路与电路的二端口 元件，如图2 1 ( a ) 所示。由法拉第电磁感应定律及磁动势的定义，可知对于 j v 匝绕组有式( 2 1 ) 成立： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 刖。0 邢】 ( 2 1 ) 既然庐和f 分别类比于电路中的电流和电压，式( 2 1 ) 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 1 ( b ) 所示。显然绕组匝数相当于回转电阻，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【”。 2 2 2 磁件等效变换的方法 在对磁件分析中常常要对磁件做等效变换，源转移( s o u r c es h i f t i n g ) 等效 变换是磁件等效变换常用的方法，其基本原理实际是磁路的等效变换i ”】。 源转移等效变换法的实现思想是将绕组拆分串联移到其它各个磁柱上， 各绕组匝数与原来的相同，并且保证绕组在各个磁柱产生的磁通方向不变， 得到的磁件与原来磁件等效。具体应用方法为： ( 1 ) 根据磁件的等效磁路按磁路欧姆定律列出等式； ( 2 ) 用数学变换将等式中某个式子的激励源一项消掉，使其分配到等式中 其它式子里面； ( 3 ) 将变换后得到的等式还原成其对应的磁路； ( 4 ) 将上一步中得到的磁路变换成其等效磁件。 利用对磁件的等效变换，可以对某些变换器的拓扑进行优化【1 7 t “。 2 2 3 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： ( 1 ) 磁集成前后绕组匝链的交变磁通一般不变。根据法拉第电磁感应定 律可知：绕组匝链的交变磁通由绕组匝数和绕组两端电压决定，与磁芯无关。 因此，绕组匝数不变、端电压不变时，磁集成前后绕组匝链的交变磁通不变； ( 2 ) 磁集成前后绕组的电流脉动可能会变化。根据磁路欧姆定律可知，对 于d m ，绕组匝链的交变磁通完全由对应绕组的电流脉动决定；对于i m ，由 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 于磁通相互藕合，绕组匝链的交变磁通由磁件中所有绕组的电流脉动共同决 定。虽然磁集成不会改变绕组匝链的交变磁通，但改变了交变磁通与绕组电 流脉动的关系，所以会改变绕组的电流脉动。进行磁集成的应用时必须考虑 磁集成对绕组电流脉动的影响。 2 3 磁集成技术的实现方法 实现多个磁件集成，一般要求磁芯具有多条磁支路，这样才能将多个交 变磁通不一定相同的分立的磁件集成起来。根据获得多条磁路的方法，可将 磁集成技术的应用分为两大类：( 1 ) 不改变原有磁芯结构，充分利用某些磁 芯多磁路的特性( 如e i ，e e 型磁芯) 进行集成；( 2 ) 改变磁芯结构，人为得到多 个磁支路，实现磁件集成。 2 3 1 不改变磁芯结构的磁件集成 1 电感与电感集成 电感与电感集成就是通常讲的耦合电感。根据电感绕组电压之间的关系 可分为绕组电压成比例和绕组电压相位交错两种。 ，m 、 ( 1 ) 电感绕组电压成比例b 埘1 + l j 干 绕组电压成比例的耦合电感主要用于减小电流 ql i i # l 叱 脉动o ：j if ： 先用互感表征的耦合电感模型简要说明耦合电 一 一 感减小电流脉动的原因。如图2 2 所示，设厶、l ，图2 2 耦合电感模型 分别为耦合电感两个绕组的自感，两个绕组间的互感为m ，“一表示同名端， 根据耦合电感特性有： 可见，由于互感的分压作用，可减小加在自感上的电压，从而能减小电 流纹波。然而，互感的引入并不是总能减小自感上的电压，只有按照图2 2 来设置同名端保证电感与电感正向耦合，才能减小电流纹波。 然后，将式( 2 2 ) 看作图2 2 所示二端口网络的z 参数方程，变换后可得 到其y 参数方程： 屯 q 啦百堕出 m m + + 堕出盟西 工 i l 毗 如 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 也 出 硪2 出 1 fl 2 。石【一肘甜【： ( 2 3 ) 其中， 色- 厶工：一时2( 2 4 ) 由式( 2 3 ) 可得实现零纹波的条件为 工2 1 - m 。“2( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，要实现零纹波需要：绕组电压成比例；互感要满足 一定关系。令“：b ，要实现零纹波，要求互感满足： m - 工2 肛( 2 6 ) ( 2 ) 电感绕组电压相位交错h 啪1 绕组电压相位交错的电感集成主要应用于多路交错并联工作的变换器， 如v r m 等。这一类磁集成的应用，关键要选用恰当的集成方式，充分发挥 磁集成的作用，实现磁件体积、电流脉动和铁心损耗的减小。 由于绕组电压相位不同，绕组匝链的交变磁通相位也不相同，此类电感 集成要用多磁路的磁芯，不同的集成方式磁通耦合作用也会不同。根据磁通 耦合作用的不同可将磁集成方式分为两种( 如图2 3 所示) ：正向耦合方式 和反向耦合方式，绕组产生的磁通互相增强，就是正向耦合方式；反之，就 是反向耦合方式。 ( a ) 正向耦合( b ) 反向耦合 图2 3 不同集成方式的耦合电感 2 电感与变压器集成 电感与变压器集成被应用于多种隔离型变换器，以减小变换器中磁件的 体积、损耗；还可用于非隔离型变换器，以调节输入输出关系，优化变换器 的性能。 ( 1 ) 应用于隔离型变换器 下面对电感与变压器集成的应用电路，i m 的变换方法以及i m 选取应注 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 意的问题进行总结。 电感与变压器集成的应用电路 电感与变压器集成被应用于多种隔离型变换器。如图2 4 所示，这类i m 的应用电路较多，主要有l m 正激变换器【1 5 叫、i m 推挽变换器【”删、多种 i m c d r 电路【1 4 “，卅以及i m b o o s t 单级功率因数校正电路【”，2 “。 图2 4 电感与变压器集成的具体应用电路 i m 的变换方法 在电感与变压器集成的应用中，经常要变换得到多种i m ，i m 的变换方 法主要有3 种： ( i ) 用源转移等效变换方法拆分绕组； ( i i ) 根据具体电路进行绕组合并： ( i i i ) 改变i m 的绕组的连接方式。实际上是改变绕组同名端，从而改 变磁通的耦合方式。 i m 的选取 i m 的选取应根据具体应用场合，比较不同i m 对变换器性能主要是对电 流脉动的影响以及对磁芯各部分磁通的影响，从而选择最利于改善变换器性 能的i m 。比较中需要注意：既要考虑磁件的不同绕组连接方式对性能的影 响，还要考虑不同的气隙设计对性能的影响；另外由于是电感与变压器集成， 还要考虑磁件绕组间漏感的影响。 ( 2 ) 应用于非隔离型变换器 这一类i m 实际上是前面提到过的耦合电感，考虑其实现了滤波和调压 的作用，将其并入电感与变压器集成这类。目前，这种集成被广泛应用于1 2 v 输入的v r m 变换器。 3 一类特殊的磁集成方法解耦集成 解耦集成，是通过对线圈和磁芯的合理安排，使原来的d m 在集成后互 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 相不产生耦合作用，这样，两个磁件就不会相互影响。那么，由2 2 3 节中 的分析可知，用解耦集成的磁件代替d m 对电路基本上没有影响。 解耦集成的方法可以分为两种i ”】：一种是提供低磁阻磁路实现解耦【， 这种方法通过一条独立、低磁阻的公共磁路将磁件引起的磁通导开从而使磁 件之间基本无偶合，用于电感与电感的集成；另一种是通过完全抵消绕组问 的耦合作用来实现解耦咖2 ”“，这种方法可用于电感与变压器、变压器与变 压器之间的集成。 2 3 2 改变磁芯结构的磁件集成 改变磁芯结构进行磁件集成的关键是如何得到多条磁路。总结相关的研 究工作，可将获得多磁路的方法分为两类【1 3 】：在磁芯中外加导磁体来获得 多磁路：通过现有磁芯的组合来获得多磁路。下面简要介绍这两种方法。 1 在磁芯中外加导磁体来获得多磁路f 哪! 】 如图2 5 所示，这种方法的基本原理 是在罐型磁芯的中部加入一片导磁体，即 图中的“2 ”，将罐型磁芯分为上下两部分， 使磁通分为三个部分，从三条磁路流通。 此外，可以通过加入多个导磁体以得到更 多的磁路，实现多个电感和变压器的集成。 m i k em e i n h a r d t 和b l o o m 都对这种方法 进行过改进。 2 通过现有磁芯组合获得多磁路m 1 k a d i yk a t s 等提供了另外一种获得 多磁路的办法。如图2 6 所示，两副磁芯 a 、b 被组合使用，变压器的组绕在两副 磁芯上副边绕组仅绕在磁芯a 上，使变压 器的漏感集中到原边，并可通过调节磁芯 b 的气隙来精确控制漏感的大小。这种i m 在谐振变换器中得到成功的应用。 害莉 一击图l 图 郴。阀图 冬裂 翳回嚣 2 4 磁件的集成方式 1 3 】 根据i m 中磁通的相互作用，可将常用的磁件集成方式分为以下几种： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 1 直流磁通与交流磁通叠加 主要用于高频场合的电感与变压器的集成，如i m 正激变换器、i m 推挽 变换器及i mb o o s t 单级功率因数校正电路等。受到磁芯损耗限制，高频时磁 芯的交变磁密取值较小，降低了磁芯利用率。通过磁件集成，将电感绕组产 生的直流磁通耦合到变压器的绕组中，提高磁芯利用率，能有效地减小磁件 体积。 2 交流磁通在公共磁柱互相削减 用于绕组电压相差1 8 0 。的电感与电感的集成、交变磁通相对方向固定的 电感与变压器的集成等，如v r m 变换器中的电感集成，可降低磁芯公共磁 柱的交变磁密，相应能减小磁芯损耗。 3 直流磁通与直流磁通互相削减 当分立磁件中交变磁通的相对方向不固定，不能利用交流磁通互相削减 的集成方式，可以考虑直流磁通互相削减的集成方式，例如一般的电感与电 感的集成。这种集成方式有利于磁件体积的减小。 4 绕组产生的交流磁通正向耦合 绕组产生的交流磁通正向耦合表明绕组匝链的交变磁通由多个绕组共同 产生、正向叠加。由于每个绕组匝链的交变磁通在集成前后不变，因此这种 集成方式可减小绕组产生的交变磁通，在一定应用场合，能减小绕组电流脉 动。对于绕组电压成比例( 电压比值可以变化) 的磁件都可考虑采用这种集 成方式，磁件绕组电压的比值可以固定不变，如多路输出电源中的输出电感、 c u k 变换器中的输入输出滤波电感等：也可以变化，如f a c 变换器中的电感 和变压器。 2 5 研究im 变换器的一般过程