一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法

摘要

本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法，属于电力电子领域的高频隔离开关电源方向。为克服上述常用的磁集成方法中磁芯结构非标准或者磁芯体积利用率低、设计复杂、具有推广应用方面的局限性等相关问题，本发明针对常用类型的含有漏感、激磁感和变压器三种磁性元件结构的变换器，使用两个标准的UI磁芯，通过合理设计绕组连接方式和参数，实现漏感、激磁感和变压器之间的集成，与分立的磁性元件相比，能够减少变换器的磁性元件数目，缩小在变换器中所占的体积比例，进一步缩小变换器系统的体积，提高功率密度这一重要指标，实现系统高效、高功率密度运行，提高运行的灵活性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力电子磁集成技术，尤其涉及一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法，属于电力电子领域的高频隔离开关电源方向。

背景技术

近年来，各式各样的变换器由于具有传输效率高、易于实现软开关等特点发展迅速，伴随着碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体器件的广泛应用，变换器正朝着高频、高效、高功率密度的方向发展。然而，这些变换器中通常含有电感和变压器等多个磁性元件，根据统计，磁性元件的重量占变换器重量的30％～40％，体积占变换器总体积的20％～30％，因此磁性元件数目过多，可能会导致变换器的重量和体积变大，限制功率密度这一性能指标的提高，通过磁集成技术，合理设计参数，将多个分立磁性元件(例如变压器、电感等)进行集成，能够减小磁性器件的重量，缩小变换器的体积，降低磁滞损耗，对改善电源动态性能、提高变换器功率密度有重要意义。

为了实现功率传输、调压和软开关等功能，变换器中通常需要电感和变压器等磁性元件，且磁性元件数量的多少根据变换器电路和实现功能的不同而不同。2017年在IEEETransaction on power electronics【电力电子期刊】上发表的‘Unified BoundaryTrapezoidal Modulation Control Utilizing Fixed Duty Cycle Compensation andMagnetizing Current Design for Dual Active Bridge DC–DC Converter’一文中的变换器拓扑含有三个磁性元件，包括漏感、激磁电感和变压器，激磁电流的设计有助于开关管ZVS的实现，但是外置并联激磁电感进一步增加了系统的体积，不利于变换器功率密度的提高。2020年在IEEE Transaction on industrial electronics【工业电子期刊】上发表的“GaN-based 1-MHz Partial Parallel Dual Active Bridge Converter withIntegrated Magnetics”一文利用一种独特的三侧柱磁芯结构将一个电感和三个变压器进行集成，大大缩小了磁性元件的体积，降低了低压侧开关管的电流应力，但是磁集成结构为非标准结构，结构复杂，难于实现。2019年在IEEE Transaction on power electronics【电力电子期刊】上发表的‘High-Frequency PCB Winding Transformer With IntegratedInductors for a Bi-Directional Resonant Converter’一文中将漏感、激磁电感集成到了EI磁芯变压器中，通过原副边绕组和中柱与侧柱的气隙设计，获得所需的磁性元件参数，对分立磁性元件的集成有重要意义，但是EI磁芯的中柱体积利用率低，不利于该磁集成方法的推广利用，具有局限性。

发明内容

为克服上述常用的磁集成方法中磁芯结构非标准或者磁芯体积利用率低、设计复杂、具有推广应用方面的局限性等相关问题，本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法要解决的技术问题是：针对常用类型的含有漏感、激磁感和变压器三种磁性元件结构的变换器，使用两个标准的UI磁芯，通过合理设计绕组连接方式和参数，实现漏感、激磁感和变压器之间的集成，与分立的磁性元件相比，能够减少变换器的磁性元件数目，缩小在变换器中所占的体积比例，进一步缩小变换器系统的体积，提高功率密度这一重要指标，实现系统高效、高功率密度运行，提高运行的灵活性和可靠性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构，包括UI磁芯A、UI磁芯B、UI磁芯A的原边绕组N

所述的磁集成结构满足基尔霍夫电压定律，如公式(1)所示：

其中，v

所述的磁集成结构两个磁芯的原边绕组和副边绕组均采取串联连接方式，绕组中流过的电流满足公式(2)：

其中，i

通过变压器磁阻模型，求解磁通量关系式，如公式(3)所示：

其中，N

根据法拉第电磁感应定律，将公式(1)、公式(2)代入公式(3)，得到所述磁集成变压器结构原副边电压和原副边电流之间的关系如公式(4)所示：

其中，R

根据公式(4)得，所述磁集成变压器的等效耦合电感L的电感矩阵如公式(5)所示：

其中L

耦合电感L和变换器所需变压器参数的等效关系如公式(6)、公式(7)和公式(8)所示：

其中，n为变压器原边电压和副边电压的变比n:1，L

通过公式(6)、公式(7)和公式(8)，将变压器漏感和激磁感集成到两个标准的UI磁芯所构成的变压器中，所述磁集成结构集成三个磁性元件，包括变压器、变压器漏感和变压器激磁电感。漏感和激磁感串联，激磁感两端再并联，实现集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构的集成，通过所述变压器磁集成结构能够减少变换器的磁性元件数目，缩小在变换器中所占的体积比例，进一步缩小变换器系统的体积，提高功率密度，实现系统高效、高功率密度运行，提高运行的灵活性和可靠性。

作为优选，所述UI磁芯A为标准UI磁芯A，所述UI磁芯B为标准UI磁芯B。

本发明还公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成方法，用于实现所述集成漏感和激磁感的变压器磁的集成，包括如下步骤：

步骤一：确定为了实现变换器运行性能所需的变压器参数大小，即变比n，漏感L

步骤二：由变压器参数等效得到耦合电感矩阵，计算出变压器实际变比n'，如公式(9)所示，根据不同需要，能够在R

步骤三：确定匝数后，根据公式(5)计算出磁阻的大小；

步骤四：为了防止磁芯饱和，根据变换器工作的磁通量最大值确定适当的磁芯横截面积。

步骤4.1：得到UI磁芯A的横截面积A

步骤4.2：得到UI磁芯B的横截面积A

步骤五：根据步骤四的变压器参数，将变压器漏感和激磁感集成到两个标准的UI磁芯所构成的变压器中，实现集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构的集成。通过所述变压器磁集成结构能够减少变换器的磁性元件数目，缩小在变换器中所占的体积比例，进一步缩小变换器系统的体积，提高功率密度，实现系统高效、高功率密度运行，提高运行的灵活性和可靠性。

有益效果：

1、本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法，针对常用类型的含有漏感、激磁感和变压器三种磁性元件结构的变换器，通过合理设计绕组连接方式和参数，实现漏感、激磁感和变压器之间的集成，能够显著电路磁性元件的数量，缩小变换器系统整体的体积，有助于提高系统功率密度指标。

2、本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其设计方法使用标准的UI磁芯结构，克服常用的磁集成方法中磁芯结构复杂的问题，便于扩大其应用范围，磁芯方便制作和获取，提高本发明普遍适用性，更加方便有效。

3、本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其设计方法，控制自由度包括UI磁芯A的原边绕组N

4、本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法，在具有漏感、激磁感和变压器结构的变换器中获得广泛的应用，促进变换器在高效、高功率密度下进行能量传递，提高变换器的运行可靠性。

附图说明

图1为本磁集成变压器磁芯结构和绕组连接示意图；

图2为本磁集成方法的电压电流参数示意图；

图3为本磁集成变压器的磁阻模型图；

图4为本发明的磁集成变压器三维结构示意图；

图5为本实施例双有源全桥变换器示意图；

图6为本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明公开的方法加以详细说明，同时也反映了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例旨在便于理解本发明，而对其的适用性不起任何限定作用。

实施例：以常用类型的一种双有源桥DAB变换器为例说明本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其设计方法的有效性和可行性。

图5为本实施例提供的一种磁集成双有源桥变换器示意图，本发明实施例提供的一种磁集成双有源桥变换器包括原边全桥、副边全桥、磁集成部分、原边直流电源、副边直流电源、输入滤波电容、输出滤波电容，具有良好的对称性。所述原边全桥包括开关器件S

开关器件S

本实施例所采用的磁集成结构如图1所示。结合图1，本实施例公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成方法，包括如下步骤：

步骤一：在实现全部开关管的软开关，双有源全桥DAB工作于较小电流有效值的前提下，确定所需的变压器参数大小，即变比n，漏感L

步骤二：由变压器参数等效得到耦合电感矩阵，计算出变压器实际变比n'，如公式(9)所示，根据不同需要，能够在R

步骤三：确定匝数后，根据公式(5)计算出磁阻的大小；

步骤四：为了防止磁芯饱和，根据变换器工作的磁通量最大值确定适当的磁芯横截面积。

步骤4.1：得到UI磁芯A的横截面积A

步骤4.2：得到UI磁芯B的横截面积A

步骤五：根据步骤四的变压器参数，将变压器漏感和激磁感集成到两个标准的UI磁芯所构成的变压器中，实现集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构的集成。通过所述变压器磁集成结构能够减少变换器的磁性元件数目，缩小在变换器中所占的体积比例，进一步缩小变换器系统的体积，提高功率密度，实现系统高效、高功率密度运行，提高运行的灵活性和可靠性。

所述实施例中双有源桥变换器的原边全桥和副边全桥可采用单移相控制、扩展移相控制等，能量正向传递时原边全桥工作在逆变状态，副边全桥工作在整流状态，能量反向传递时副边全桥工作在逆变状态，原边全桥工作在整流状态。原边绕组N

通过上述分析可知，本发明能够对变换器实现电气隔离的变压器进行优化，增加控制自由度，能够更加灵活地协助变换器在全负载范围的软开关下进行双向功率传输，减小变换器磁性元件所占的体积比例，提高变换器的功率密度。

需要说明的是，以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所述磁集成结构应用于双有源桥变换器，并不用于限定本发明的保护范围在此拓扑，凡在本发明的基础上所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明所提出的磁集成结构和磁集成变压器设计方法可以应用到含有漏感、激磁感和变压器的变换器中，也可以应用于耦合电感和电感之间的集成，显著提高变换器的功率密度，实现变换器的高性能运行。