“磁集成”技術的應用試驗(失敗)
本人從《通信電源技術》200601#贈刊上,無意中認識“磁集成”技術.
所謂“磁集成”技術,在含義上其實并不難理解.就是:將多個變壓器或電感集成在一個變壓器當中.
從網上找了一些資料,但都講得“比較高深”.認真學習后,理解為:
E型變壓器的主線圈是繞在中心磁柱上的,兩邊的磁柱上的磁通方向是相同的,在單邊的磁柱上有線圈時,也是會有電壓產生的.
在雙邊繞有相同線圈并串聯時,根據同名端的不同,就會出現電壓疊加或電壓抵消.選擇電壓抵消后,主線圈工作時,就不會影響邊線圈.而此時,兩個串聯的邊線圈,形成了一個“分段繞制的電感”.此電感工作時的磁通在中心柱上也正好是抵消的.
這就是所謂的“相互解耦”.就是:互不影響,互不干擾.
個人理解的優點:磁芯不值錢,省了幾個磁芯,省錢并不多.好像銅也沒省.但空間卻能省不少啊.
不去討論了,挺好玩的.先試試吧.
找了個UC3843AN芯片,8.5V,12A,100W輸出的開關電源,.
將電感拆下,繞在變壓器的兩個邊柱上.串聯時,反復檢查同名端,應該沒有搞錯.
(反復焊高頻變壓器,真是很麻煩的一件事啊.)
通電試機,空載時,沒問題.好像挺正常的.
但接個12V10W的燈后,電壓出現1-5Hz的“脈動”現象.
又改了一個,結果基本相同.
經過幾天的反思,可能是:輸出的DC分量導致變壓器磁芯飽和,導致輸出電壓下降,電流下降,又使得磁芯脫離飽和,電壓恢復,電流恢復,磁芯再次飽和.
情況很像修理收音機時的“汽船聲”故障.
解決磁飽和問題,一是加“氣隙”,二是減少“安匝數”.高頻變壓器是不太好拆的,所以,改“氣隙”還是以后再說吧.“安培數”是電源的指標,也不能改.就只好改“匝數”了.
只是,不知這想法對不對.還沒試驗呢.
而且,改為“多少”匝合適呀?這個試驗肯定是比較麻煩的.
哪位朋友也做過類似的試驗,一起聊聊.
“磁集成”技術的應用試驗(失敗)
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這是在網上找到的“免費”資料,挺不好找的,很多地方都已經“收費”了.
磁集成技術及其在電力電子中的應用
http://www.newmaker.com/disp_art/1240022/11076.html
華南理工大學 喬蕾 劉永強
摘 要:功率磁性元件廣泛用于電力電子裝置中,它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,采用磁集成技術可以有效地減小磁性元件的體積和損耗,提高功率密度和工作效率,改善輸出紋波.本文綜述了磁集成的概念、分析方法及其在電力電子中的應用.
關鍵詞:磁集成;電力電子;變換器;應用
Integrated Magnetic Technology and its Application in P ower Electronic
QIAO Lei, LIU Yongqiang
(College of Electric Power,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Power magnetic components are widely used in power electronic devices,serving fo r transfer and memory of magnetic energy,filtering and electrical isolation.The parameters of magnetic components influence the performance of circuit greatly.A doption of integrated magnetic technology can reduce volume and cost of the comp onents,enhance power density and efficiency,and improve output ripple. This pape r provides an overview of the notion and analysis method of integrated magnetic and its application in power electronics.
Key words: integrated magnetic; power electronic; converter; application
1 前言
功率磁性元件是所有電力電子裝置中必不可少的關鍵器件.它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,其體積和重量一般占到整個電路的20%至30%,損耗約占總損耗的30%.同時,磁性元件的各參數對電路的性能影響很大,如變壓器漏感對電壓尖峰的影響,變壓器原、副邊繞組的耦合電容對隔離性能的影響.因此,磁性器件的研究對于減小電力電子裝置的體積和重量、提高電壓調制性能有十分重要的意義.
近年來,隨著開關器件和軟開關技術的發展,人們通常采用提高工作頻率的辦法實現開關電 源的小型化,但是受到磁性器件特性的限制,高頻化的方法有一定局限性.因為提高工作頻率,會使磁性器件的磁芯損耗顯著增加,所以在高頻工作時磁性器件的磁芯一般要降額使用,磁芯的工作磁密遠小于其飽和磁密,限制了磁性器件體積的進一步減小.為了能進一步減小磁性器件的體積、重量和損耗,提高磁件性能,人們研究了磁集成技術,并將其應用于電力電子磁性器件的設計中.
2 磁集成技術
2.1 磁集成技術的發展現狀
自從Cuk第一次提出了磁件集成化[1,2]的思想后,磁集成的概念不斷擴展,這一技術發展很快[3],已成為電力電子行業發展的一個趨勢.近幾年,隨著電力電子技術高頻磁技術的不斷發展,磁集成技術已經發展成為電力電子技術的一個分支,國外很多研究人員致力于這方面的研究,但國內的研究和應用還處于起步階段.
2.2 磁集成技術的定義和特點
集成磁件實際上包含兩方面含義[4,5]:一是將多個磁性元件集成在一個磁芯結構上,充分利用各個磁件在具體電路拓撲中的電壓、電流關系以及磁路拓撲中的磁通、磁勢關系,實現多個磁件的集成,以減小體積,提高開關電源的功率密度、降低損耗、改善輸出濾波效果(例如將兩個或多個電感器繞制在一個磁芯上);二是將磁性元件與線路板結合(例如直接將磁件的繞組制造在線路板上,采用厚膜技術將磁芯和繞組制造在硅片上等).本文主要討論第一類問題.
在電力電子中,磁集成技術主要應用于開關電源和UPS逆變器中,有以下優點:(1)減少開關電源中器件的數量;(2)使集成磁件的最大工作磁密小于各分立磁件的磁密和,以減小磁件磁芯的截面積,從而減小磁件磁芯的體積和重量;(3)使集成磁件磁芯磁通的脈動量減小,從而使磁件的鐵損耗減小,提高開關電源的效率和功率密度;(4)改善開關電源的性能,如減小開關電源輸入和輸出電流的紋波,提高開關電源的瞬態響應速度等.
3 集成磁件的設計與建模
3.1 集成磁件的設計步驟
由于所設計的集成磁件是用于特定電路,因此,不僅要在設計的過程中考慮特定電路的要求,設計完成后對集成磁件的分析也很重要.另外,集成方式的選擇要綜合考慮其對鐵損和電流脈動的影響,以優化電路性能.
集成磁件的設計大致可分四步:
第一步由分立磁件變換器推導出多種集成磁件變換器;
第二步結合具體電路,對比分析多種磁集成方案,從中選出最好的;
第三步完成集成磁件的參數計算與設計;
第四步對磁集成變換器進行仿真及其硬件實現.
對于功率變換電路,磁性元件對其性能的提高有重要的作用.例如,在輸出端增加電感或使各個電感有所耦合有利于減小電流紋波,但電感數量的增加往往相應增加了磁件的數量、體積和損耗.如果采用磁集成技術,電路拓撲中磁元件數量的增加并不一定意味著實際電路布置上磁結構所占體積和磁件損耗的增加.所以,在研究電路拓撲時,不僅要從電路拓撲方面考慮問題,還要注意將電路拓撲方案與磁件可能的集成結構方案綜合在一起研究,達到磁件結構與電路結構的最佳組合.
3.2 集成磁件電路模型的建立方法
磁件分析所采用的基本原理是磁路的基本定律及電磁感應定律.為了分析磁件對電路的影響,一般需要建立磁件的等效電路.本節主要介紹現有的兩種建立磁件等效電路的方法:磁路-電路對偶變換法和磁導-電容類比法.
3.2.1 磁路-電路對偶變換法
磁路-電路對偶變換法[4]是根據磁件的磁路模型,通過對偶變換等方法導出磁件的電路模型.步驟如下:①根據磁路歐姆定律,得到磁件的等效電路;②運用對偶原理,得到等效電路的對偶圖;③對得到的對偶圖進行尺度變換,得到電流、磁鏈關系圖,以便于應用法拉第電磁感應定律得到等效電路;④根據法拉第電磁感應定律及變壓器的阻抗變換原理,得到等效電路.
下面以圖1(a)所示的集成磁件為例,簡要說明整個推導過程.
(1)不考慮漏磁,根據圖1(a)的參考方向,由歐姆定律得到磁件的磁路模型,如圖1(b )所示.
(2)根據對偶變換的原則,由圖1(b)所示的等效磁路推得其對偶圖,如圖1(c).
(3)以Np1繞組為參考對圖1(c)進行尺度變換,得到電流、磁鏈的關系圖,如圖1(d)所示.
(4)根據圖1(d)所示的電流、磁鏈關系得到磁件的等效電路模型,如圖1(e).
用磁路-電路對偶變換法推得的等效電路是用電感和理想變壓器來表征的,便于將集成電路與分立電路相比較,但它不能直接反映磁件的電路參數與磁路參數的特性[6].為此人們提出了另一種建立磁件等效電路的方法,磁導-電容類比法.
3.2.2 磁導-電容類比法
這種方法是通過磁路參數與電路參數的類比關系,用回轉器和電容來表征磁件的等效電路[7~11].
根據表1所示的類比關系,繞組可以被看作連接磁路與電路的二端口元件,如圖2(a)所示,由法拉第電磁感應定律及磁動勢的定義,對N匝繞組有等式
由于φ·和F分別類比于電路中的電流和電壓,上式給出的函數關系與電路中的二端口元件——回轉器的數學模型相一致,因此,可以引入回轉器作為繞組的等效電路模型,如圖2(b)所示.用回轉器模型表示磁件繞組,電容模型表示磁導,繞組匝數N相當于回轉電阻,這樣就可以得到磁件的等效電路模型.
顯然,這個等效電路能同時反映磁件的電路和磁路特性,包括繞組的電壓、電流和磁芯的磁通.用電流控制的電壓源代替回轉器,可以進行電路仿真,如圖2(c).用這種模型進行電路仿真時,可以方便地加入磁芯的非線性特性(如磁飽和特性等),使仿真結果更加準確.
對比以上兩種建模方法可以看出:
①磁路-電路對偶變換法通過對磁路的對偶變換得到磁鏈與電流的關系,建立等效電路;磁導-電容類比建模法通過引入回轉器作為繞組的等效模型,直接建立磁件的等效電路;
②用磁路-電路對偶變換法推得的磁件等效電路可用于分析磁件的電路與磁路特性,適用于理論分析;
③用磁導-電容類比建模法推出的等效電路,通過回轉器、電容表征參數能同時反映磁件電路與磁路的特性,特別適于磁件的仿真研究.
3.3集成磁件的參數設計
由于集成磁件與一般的分立磁件結構不同,所以在磁芯型號、氣隙大小、導線規格等參數的 選擇上存在一定的難度.目前并沒有通用的參數計算方法,設計者一般根據實際的要求選擇設計方法.
文獻[12]針對多路輸出時在同一磁芯柱上增加的額外繞組與有限的磁芯窗口面積之間的矛盾,通過給定磁芯繞組的銅損,計算出磁芯的結構常數,從而得到理想的磁芯型號、氣隙大小、繞組匝數以及導線規格.在文獻[13]中,作者分別針對在磁芯中柱和磁芯邊柱開氣隙的兩種情況進行磁通分布的分析,確定磁芯型號.文獻[14]通過一種二維極限元分析方法[15],來確定磁芯型號、磁芯氣隙和繞組導線規格.該方法不僅能用于設計階段,還可用于整個變換器的仿真從而驗證電路性能.
4 磁集成技術在電力電子中的應用
4.1磁集成技術在開關電源中的應用
隨著通信設備和計算機運行速度的不斷提高,低壓大電流輸出的開關電源成為現時開關電源的熱點產品之一.對于低壓大電流輸出的開關電源,要提高功率密度,必須減小體積、降低損耗.磁集成技術因為減小了磁芯的損耗和體積,而受到了廣泛地研究和應用.
在這些應用中主要包括電感與電感的集成,變壓器與電感的集成,變壓器與變壓器的集成,根據電路拓撲結構的不同,繞組的集成方式也不同,圖3是幾種常見的繞組集成方式.當然這只是理論上的分析,只有根據實際電路的拓撲結構來設計繞組的排列方式才能獲得理想的效果.
4.1.1在正激變換器中的應用
正激變換器的磁集成主要是隔離變壓器與濾波電感的集成,對這種拓撲結構的集成在文獻[16、17]中都有描述.另外正反激變換器的集成[18、19]也屬于變壓器和電感的集成.在文獻[20]中,作者設計了一種磁集成的有源鉗位正激變換器,該變換器提高了工作頻率和功率密度.圖4是正激變換器的集成方式.
4.1.2在半橋變換器中的應用
二次側繞組帶中心抽頭的半橋變換器[21]大大地減小了輸出電感,通過對稱的占空比調制能容易地實現ZVS,但其二次側繞組的電流較大,制作繞組時需要分層繞制,因此,在導線選擇上很難同時滿足小的繞組側面積和高的工作效率的要求.倍流整流可以解決上述問題,而且特別適于低壓大電流輸出.
4.1.3在倍流整流變換器中的應用
用集成磁技術實現的倍流整流變換器[22]將變壓器的二次側繞組與輸出電感合并,如圖5所示.它的工作模式與普通變換器基本一樣.這種方法可有效地降低成本和銅損,提高工作效率和功率密度.在文獻[23]中作者還推導出了輸出電流紋波的計算公式,通過合理的參數選擇可以減小甚至消除輸出紋波.用磁集成技術設計出的變換器的工作效率可達90 %.文獻[24]在此基礎上提出了新的集成方式,將原邊繞組分繞在磁芯的兩個邊柱上,這種方式可以減小漏感,如圖6所示.
4.1.4在全波電路中的應用
全波電路具有高工作效率、高功率密度和低開關應力等優點 ,是變換器常見的一種拓撲結構.對全波變換器的磁集成也得到了廣泛的研究[24~26].圖7是全波電路的集成方式.
4.2其它方面的應用
磁集成技術除了應用于開關電源,還可用于其它方面,如UPS[27]以及諧振型變換器[28~32].特別是近年來其應用主要集中于VRM(voltage regulator modul e)[33~35],由于VRM對輸出紋波精度與響應速度的要求很高,磁集成技術必將受到更大的挑戰.
5 結語
本文綜述了磁集成技術的基本概念和分析方法,并列舉了其在電力電子中的應用研究.總之,隨著磁性器件日益小型化,高頻磁技術不斷深入,集成磁技術作為一種能提高磁性器件功率密度,減小磁件體積的應用技術必將在現代電力電子中占有越來越重要的地位,得到越來越廣泛的研究.歐美發達國家對磁集成技術這一前沿課題已展開了深入地研究.而我國對磁集成技術的研究尚處于起步階段,只有少數研究者涉足該領域.可以預見,隨著現代電力電子技術的發展[36],磁集成技術將是未來電力電子高頻磁技術發展的方向,并為電力電子行業帶來新的突破與創新.
磁集成技術及其在電力電子中的應用
http://www.newmaker.com/disp_art/1240022/11076.html
華南理工大學 喬蕾 劉永強
摘 要:功率磁性元件廣泛用于電力電子裝置中,它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,采用磁集成技術可以有效地減小磁性元件的體積和損耗,提高功率密度和工作效率,改善輸出紋波.本文綜述了磁集成的概念、分析方法及其在電力電子中的應用.
關鍵詞:磁集成;電力電子;變換器;應用
Integrated Magnetic Technology and its Application in P ower Electronic
QIAO Lei, LIU Yongqiang
(College of Electric Power,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Power magnetic components are widely used in power electronic devices,serving fo r transfer and memory of magnetic energy,filtering and electrical isolation.The parameters of magnetic components influence the performance of circuit greatly.A doption of integrated magnetic technology can reduce volume and cost of the comp onents,enhance power density and efficiency,and improve output ripple. This pape r provides an overview of the notion and analysis method of integrated magnetic and its application in power electronics.
Key words: integrated magnetic; power electronic; converter; application
1 前言
功率磁性元件是所有電力電子裝置中必不可少的關鍵器件.它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,其體積和重量一般占到整個電路的20%至30%,損耗約占總損耗的30%.同時,磁性元件的各參數對電路的性能影響很大,如變壓器漏感對電壓尖峰的影響,變壓器原、副邊繞組的耦合電容對隔離性能的影響.因此,磁性器件的研究對于減小電力電子裝置的體積和重量、提高電壓調制性能有十分重要的意義.
近年來,隨著開關器件和軟開關技術的發展,人們通常采用提高工作頻率的辦法實現開關電 源的小型化,但是受到磁性器件特性的限制,高頻化的方法有一定局限性.因為提高工作頻率,會使磁性器件的磁芯損耗顯著增加,所以在高頻工作時磁性器件的磁芯一般要降額使用,磁芯的工作磁密遠小于其飽和磁密,限制了磁性器件體積的進一步減小.為了能進一步減小磁性器件的體積、重量和損耗,提高磁件性能,人們研究了磁集成技術,并將其應用于電力電子磁性器件的設計中.
2 磁集成技術
2.1 磁集成技術的發展現狀
自從Cuk第一次提出了磁件集成化[1,2]的思想后,磁集成的概念不斷擴展,這一技術發展很快[3],已成為電力電子行業發展的一個趨勢.近幾年,隨著電力電子技術高頻磁技術的不斷發展,磁集成技術已經發展成為電力電子技術的一個分支,國外很多研究人員致力于這方面的研究,但國內的研究和應用還處于起步階段.
2.2 磁集成技術的定義和特點
集成磁件實際上包含兩方面含義[4,5]:一是將多個磁性元件集成在一個磁芯結構上,充分利用各個磁件在具體電路拓撲中的電壓、電流關系以及磁路拓撲中的磁通、磁勢關系,實現多個磁件的集成,以減小體積,提高開關電源的功率密度、降低損耗、改善輸出濾波效果(例如將兩個或多個電感器繞制在一個磁芯上);二是將磁性元件與線路板結合(例如直接將磁件的繞組制造在線路板上,采用厚膜技術將磁芯和繞組制造在硅片上等).本文主要討論第一類問題.
在電力電子中,磁集成技術主要應用于開關電源和UPS逆變器中,有以下優點:(1)減少開關電源中器件的數量;(2)使集成磁件的最大工作磁密小于各分立磁件的磁密和,以減小磁件磁芯的截面積,從而減小磁件磁芯的體積和重量;(3)使集成磁件磁芯磁通的脈動量減小,從而使磁件的鐵損耗減小,提高開關電源的效率和功率密度;(4)改善開關電源的性能,如減小開關電源輸入和輸出電流的紋波,提高開關電源的瞬態響應速度等.
3 集成磁件的設計與建模
3.1 集成磁件的設計步驟
由于所設計的集成磁件是用于特定電路,因此,不僅要在設計的過程中考慮特定電路的要求,設計完成后對集成磁件的分析也很重要.另外,集成方式的選擇要綜合考慮其對鐵損和電流脈動的影響,以優化電路性能.
集成磁件的設計大致可分四步:
第一步由分立磁件變換器推導出多種集成磁件變換器;
第二步結合具體電路,對比分析多種磁集成方案,從中選出最好的;
第三步完成集成磁件的參數計算與設計;
第四步對磁集成變換器進行仿真及其硬件實現.
對于功率變換電路,磁性元件對其性能的提高有重要的作用.例如,在輸出端增加電感或使各個電感有所耦合有利于減小電流紋波,但電感數量的增加往往相應增加了磁件的數量、體積和損耗.如果采用磁集成技術,電路拓撲中磁元件數量的增加并不一定意味著實際電路布置上磁結構所占體積和磁件損耗的增加.所以,在研究電路拓撲時,不僅要從電路拓撲方面考慮問題,還要注意將電路拓撲方案與磁件可能的集成結構方案綜合在一起研究,達到磁件結構與電路結構的最佳組合.
3.2 集成磁件電路模型的建立方法
磁件分析所采用的基本原理是磁路的基本定律及電磁感應定律.為了分析磁件對電路的影響,一般需要建立磁件的等效電路.本節主要介紹現有的兩種建立磁件等效電路的方法:磁路-電路對偶變換法和磁導-電容類比法.
3.2.1 磁路-電路對偶變換法
磁路-電路對偶變換法[4]是根據磁件的磁路模型,通過對偶變換等方法導出磁件的電路模型.步驟如下:①根據磁路歐姆定律,得到磁件的等效電路;②運用對偶原理,得到等效電路的對偶圖;③對得到的對偶圖進行尺度變換,得到電流、磁鏈關系圖,以便于應用法拉第電磁感應定律得到等效電路;④根據法拉第電磁感應定律及變壓器的阻抗變換原理,得到等效電路.
下面以圖1(a)所示的集成磁件為例,簡要說明整個推導過程.
(1)不考慮漏磁,根據圖1(a)的參考方向,由歐姆定律得到磁件的磁路模型,如圖1(b )所示.
(2)根據對偶變換的原則,由圖1(b)所示的等效磁路推得其對偶圖,如圖1(c).
(3)以Np1繞組為參考對圖1(c)進行尺度變換,得到電流、磁鏈的關系圖,如圖1(d)所示.
(4)根據圖1(d)所示的電流、磁鏈關系得到磁件的等效電路模型,如圖1(e).
用磁路-電路對偶變換法推得的等效電路是用電感和理想變壓器來表征的,便于將集成電路與分立電路相比較,但它不能直接反映磁件的電路參數與磁路參數的特性[6].為此人們提出了另一種建立磁件等效電路的方法,磁導-電容類比法.
3.2.2 磁導-電容類比法
這種方法是通過磁路參數與電路參數的類比關系,用回轉器和電容來表征磁件的等效電路[7~11].
根據表1所示的類比關系,繞組可以被看作連接磁路與電路的二端口元件,如圖2(a)所示,由法拉第電磁感應定律及磁動勢的定義,對N匝繞組有等式
由于φ·和F分別類比于電路中的電流和電壓,上式給出的函數關系與電路中的二端口元件——回轉器的數學模型相一致,因此,可以引入回轉器作為繞組的等效電路模型,如圖2(b)所示.用回轉器模型表示磁件繞組,電容模型表示磁導,繞組匝數N相當于回轉電阻,這樣就可以得到磁件的等效電路模型.
顯然,這個等效電路能同時反映磁件的電路和磁路特性,包括繞組的電壓、電流和磁芯的磁通.用電流控制的電壓源代替回轉器,可以進行電路仿真,如圖2(c).用這種模型進行電路仿真時,可以方便地加入磁芯的非線性特性(如磁飽和特性等),使仿真結果更加準確.
對比以上兩種建模方法可以看出:
①磁路-電路對偶變換法通過對磁路的對偶變換得到磁鏈與電流的關系,建立等效電路;磁導-電容類比建模法通過引入回轉器作為繞組的等效模型,直接建立磁件的等效電路;
②用磁路-電路對偶變換法推得的磁件等效電路可用于分析磁件的電路與磁路特性,適用于理論分析;
③用磁導-電容類比建模法推出的等效電路,通過回轉器、電容表征參數能同時反映磁件電路與磁路的特性,特別適于磁件的仿真研究.
3.3集成磁件的參數設計
由于集成磁件與一般的分立磁件結構不同,所以在磁芯型號、氣隙大小、導線規格等參數的 選擇上存在一定的難度.目前并沒有通用的參數計算方法,設計者一般根據實際的要求選擇設計方法.
文獻[12]針對多路輸出時在同一磁芯柱上增加的額外繞組與有限的磁芯窗口面積之間的矛盾,通過給定磁芯繞組的銅損,計算出磁芯的結構常數,從而得到理想的磁芯型號、氣隙大小、繞組匝數以及導線規格.在文獻[13]中,作者分別針對在磁芯中柱和磁芯邊柱開氣隙的兩種情況進行磁通分布的分析,確定磁芯型號.文獻[14]通過一種二維極限元分析方法[15],來確定磁芯型號、磁芯氣隙和繞組導線規格.該方法不僅能用于設計階段,還可用于整個變換器的仿真從而驗證電路性能.
4 磁集成技術在電力電子中的應用
4.1磁集成技術在開關電源中的應用
隨著通信設備和計算機運行速度的不斷提高,低壓大電流輸出的開關電源成為現時開關電源的熱點產品之一.對于低壓大電流輸出的開關電源,要提高功率密度,必須減小體積、降低損耗.磁集成技術因為減小了磁芯的損耗和體積,而受到了廣泛地研究和應用.
在這些應用中主要包括電感與電感的集成,變壓器與電感的集成,變壓器與變壓器的集成,根據電路拓撲結構的不同,繞組的集成方式也不同,圖3是幾種常見的繞組集成方式.當然這只是理論上的分析,只有根據實際電路的拓撲結構來設計繞組的排列方式才能獲得理想的效果.
4.1.1在正激變換器中的應用
正激變換器的磁集成主要是隔離變壓器與濾波電感的集成,對這種拓撲結構的集成在文獻[16、17]中都有描述.另外正反激變換器的集成[18、19]也屬于變壓器和電感的集成.在文獻[20]中,作者設計了一種磁集成的有源鉗位正激變換器,該變換器提高了工作頻率和功率密度.圖4是正激變換器的集成方式.
4.1.2在半橋變換器中的應用
二次側繞組帶中心抽頭的半橋變換器[21]大大地減小了輸出電感,通過對稱的占空比調制能容易地實現ZVS,但其二次側繞組的電流較大,制作繞組時需要分層繞制,因此,在導線選擇上很難同時滿足小的繞組側面積和高的工作效率的要求.倍流整流可以解決上述問題,而且特別適于低壓大電流輸出.
4.1.3在倍流整流變換器中的應用
用集成磁技術實現的倍流整流變換器[22]將變壓器的二次側繞組與輸出電感合并,如圖5所示.它的工作模式與普通變換器基本一樣.這種方法可有效地降低成本和銅損,提高工作效率和功率密度.在文獻[23]中作者還推導出了輸出電流紋波的計算公式,通過合理的參數選擇可以減小甚至消除輸出紋波.用磁集成技術設計出的變換器的工作效率可達90 %.文獻[24]在此基礎上提出了新的集成方式,將原邊繞組分繞在磁芯的兩個邊柱上,這種方式可以減小漏感,如圖6所示.
4.1.4在全波電路中的應用
全波電路具有高工作效率、高功率密度和低開關應力等優點 ,是變換器常見的一種拓撲結構.對全波變換器的磁集成也得到了廣泛的研究[24~26].圖7是全波電路的集成方式.
4.2其它方面的應用
磁集成技術除了應用于開關電源,還可用于其它方面,如UPS[27]以及諧振型變換器[28~32].特別是近年來其應用主要集中于VRM(voltage regulator modul e)[33~35],由于VRM對輸出紋波精度與響應速度的要求很高,磁集成技術必將受到更大的挑戰.
5 結語
本文綜述了磁集成技術的基本概念和分析方法,并列舉了其在電力電子中的應用研究.總之,隨著磁性器件日益小型化,高頻磁技術不斷深入,集成磁技術作為一種能提高磁性器件功率密度,減小磁件體積的應用技術必將在現代電力電子中占有越來越重要的地位,得到越來越廣泛的研究.歐美發達國家對磁集成技術這一前沿課題已展開了深入地研究.而我國對磁集成技術的研究尚處于起步階段,只有少數研究者涉足該領域.可以預見,隨著現代電力電子技術的發展[36],磁集成技術將是未來電力電子高頻磁技術發展的方向,并為電力電子行業帶來新的突破與創新.
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@豬老大
這是在網上找到的“免費”資料,挺不好找的,很多地方都已經“收費”了.磁集成技術及其在電力電子中的應用http://www.newmaker.com/disp_art/1240022/11076.html華南理工大學喬蕾劉永強摘要:功率磁性元件廣泛用于電力電子裝置中,它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,采用磁集成技術可以有效地減小磁性元件的體積和損耗,提高功率密度和工作效率,改善輸出紋波.本文綜述了磁集成的概念、分析方法及其在電力電子中的應用.關鍵詞:磁集成;電力電子;變換器;應用IntegratedMagneticTechnologyanditsApplicationinPowerElectronicQIAOLei,LIUYongqiang(CollegeofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Powermagneticcomponentsarewidelyusedinpowerelectronicdevices,servingfortransferandmemoryofmagneticenergy,filteringandelectricalisolation.Theparametersofmagneticcomponentsinfluencetheperformanceofcircuitgreatly.Adoptionofintegratedmagnetictechnologycanreducevolumeandcostofthecomponents,enhancepowerdensityandefficiency,andimproveoutputripple.Thispaperprovidesanoverviewofthenotionandanalysismethodofintegratedmagneticanditsapplicationinpowerelectronics.Keywords:integratedmagnetic;powerelectronic;converter;application1前言功率磁性元件是所有電力電子裝置中必不可少的關鍵器件.它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能,其體積和重量一般占到整個電路的20%至30%,損耗約占總損耗的30%.同時,磁性元件的各參數對電路的性能影響很大,如變壓器漏感對電壓尖峰的影響,變壓器原、副邊繞組的耦合電容對隔離性能的影響.因此,磁性器件的研究對于減小電力電子裝置的體積和重量、提高電壓調制性能有十分重要的意義.近年來,隨著開關器件和軟開關技術的發展,人們通常采用提高工作頻率的辦法實現開關電源的小型化,但是受到磁性器件特性的限制,高頻化的方法有一定局限性.因為提高工作頻率,會使磁性器件的磁芯損耗顯著增加,所以在高頻工作時磁性器件的磁芯一般要降額使用,磁芯的工作磁密遠小于其飽和磁密,限制了磁性器件體積的進一步減小.為了能進一步減小磁性器件的體積、重量和損耗,提高磁件性能,人們研究了磁集成技術,并將其應用于電力電子磁性器件的設計中.2磁集成技術2.1磁集成技術的發展現狀自從Cuk第一次提出了磁件集成化[1,2]的思想后,磁集成的概念不斷擴展,這一技術發展很快[3],已成為電力電子行業發展的一個趨勢.近幾年,隨著電力電子技術高頻磁技術的不斷發展,磁集成技術已經發展成為電力電子技術的一個分支,國外很多研究人員致力于這方面的研究,但國內的研究和應用還處于起步階段.2.2磁集成技術的定義和特點集成磁件實際上包含兩方面含義[4,5]:一是將多個磁性元件集成在一個磁芯結構上,充分利用各個磁件在具體電路拓撲中的電壓、電流關系以及磁路拓撲中的磁通、磁勢關系,實現多個磁件的集成,以減小體積,提高開關電源的功率密度、降低損耗、改善輸出濾波效果(例如將兩個或多個電感器繞制在一個磁芯上);二是將磁性元件與線路板結合(例如直接將磁件的繞組制造在線路板上,采用厚膜技術將磁芯和繞組制造在硅片上等).本文主要討論第一類問題.在電力電子中,磁集成技術主要應用于開關電源和UPS逆變器中,有以下優點:(1)減少開關電源中器件的數量;(2)使集成磁件的最大工作磁密小于各分立磁件的磁密和,以減小磁件磁芯的截面積,從而減小磁件磁芯的體積和重量;(3)使集成磁件磁芯磁通的脈動量減小,從而使磁件的鐵損耗減小,提高開關電源的效率和功率密度;(4)改善開關電源的性能,如減小開關電源輸入和輸出電流的紋波,提高開關電源的瞬態響應速度等.3集成磁件的設計與建模3.1集成磁件的設計步驟由于所設計的集成磁件是用于特定電路,因此,不僅要在設計的過程中考慮特定電路的要求,設計完成后對集成磁件的分析也很重要.另外,集成方式的選擇要綜合考慮其對鐵損和電流脈動的影響,以優化電路性能.集成磁件的設計大致可分四步:第一步由分立磁件變換器推導出多種集成磁件變換器;第二步結合具體電路,對比分析多種磁集成方案,從中選出最好的;第三步完成集成磁件的參數計算與設計;第四步對磁集成變換器進行仿真及其硬件實現.對于功率變換電路,磁性元件對其性能的提高有重要的作用.例如,在輸出端增加電感或使各個電感有所耦合有利于減小電流紋波,但電感數量的增加往往相應增加了磁件的數量、體積和損耗.如果采用磁集成技術,電路拓撲中磁元件數量的增加并不一定意味著實際電路布置上磁結構所占體積和磁件損耗的增加.所以,在研究電路拓撲時,不僅要從電路拓撲方面考慮問題,還要注意將電路拓撲方案與磁件可能的集成結構方案綜合在一起研究,達到磁件結構與電路結構的最佳組合.3.2集成磁件電路模型的建立方法磁件分析所采用的基本原理是磁路的基本定律及電磁感應定律.為了分析磁件對電路的影響,一般需要建立磁件的等效電路.本節主要介紹現有的兩種建立磁件等效電路的方法:磁路-電路對偶變換法和磁導-電容類比法.3.2.1磁路-電路對偶變換法磁路-電路對偶變換法[4]是根據磁件的磁路模型,通過對偶變換等方法導出磁件的電路模型.步驟如下:①根據磁路歐姆定律,得到磁件的等效電路;②運用對偶原理,得到等效電路的對偶圖;③對得到的對偶圖進行尺度變換,得到電流、磁鏈關系圖,以便于應用法拉第電磁感應定律得到等效電路;④根據法拉第電磁感應定律及變壓器的阻抗變換原理,得到等效電路.下面以圖1(a)所示的集成磁件為例,簡要說明整個推導過程.(1)不考慮漏磁,根據圖1(a)的參考方向,由歐姆定律得到磁件的磁路模型,如圖1(b)所示.(2)根據對偶變換的原則,由圖1(b)所示的等效磁路推得其對偶圖,如圖1(c).(3)以Np1繞組為參考對圖1(c)進行尺度變換,得到電流、磁鏈的關系圖,如圖1(d)所示.(4)根據圖1(d)所示的電流、磁鏈關系得到磁件的等效電路模型,如圖1(e).用磁路-電路對偶變換法推得的等效電路是用電感和理想變壓器來表征的,便于將集成電路與分立電路相比較,但它不能直接反映磁件的電路參數與磁路參數的特性[6].為此人們提出了另一種建立磁件等效電路的方法,磁導-電容類比法.3.2.2磁導-電容類比法這種方法是通過磁路參數與電路參數的類比關系,用回轉器和電容來表征磁件的等效電路[7~11].根據表1所示的類比關系,繞組可以被看作連接磁路與電路的二端口元件,如圖2(a)所示,由法拉第電磁感應定律及磁動勢的定義,對N匝繞組有等式由于φ·和F分別類比于電路中的電流和電壓,上式給出的函數關系與電路中的二端口元件——回轉器的數學模型相一致,因此,可以引入回轉器作為繞組的等效電路模型,如圖2(b)所示.用回轉器模型表示磁件繞組,電容模型表示磁導,繞組匝數N相當于回轉電阻,這樣就可以得到磁件的等效電路模型.顯然,這個等效電路能同時反映磁件的電路和磁路特性,包括繞組的電壓、電流和磁芯的磁通.用電流控制的電壓源代替回轉器,可以進行電路仿真,如圖2(c).用這種模型進行電路仿真時,可以方便地加入磁芯的非線性特性(如磁飽和特性等),使仿真結果更加準確.對比以上兩種建模方法可以看出:①磁路-電路對偶變換法通過對磁路的對偶變換得到磁鏈與電流的關系,建立等效電路;磁導-電容類比建模法通過引入回轉器作為繞組的等效模型,直接建立磁件的等效電路;②用磁路-電路對偶變換法推得的磁件等效電路可用于分析磁件的電路與磁路特性,適用于理論分析;③用磁導-電容類比建模法推出的等效電路,通過回轉器、電容表征參數能同時反映磁件電路與磁路的特性,特別適于磁件的仿真研究.3.3集成磁件的參數設計由于集成磁件與一般的分立磁件結構不同,所以在磁芯型號、氣隙大小、導線規格等參數的選擇上存在一定的難度.目前并沒有通用的參數計算方法,設計者一般根據實際的要求選擇設計方法.文獻[12]針對多路輸出時在同一磁芯柱上增加的額外繞組與有限的磁芯窗口面積之間的矛盾,通過給定磁芯繞組的銅損,計算出磁芯的結構常數,從而得到理想的磁芯型號、氣隙大小、繞組匝數以及導線規格.在文獻[13]中,作者分別針對在磁芯中柱和磁芯邊柱開氣隙的兩種情況進行磁通分布的分析,確定磁芯型號.文獻[14]通過一種二維極限元分析方法[15],來確定磁芯型號、磁芯氣隙和繞組導線規格.該方法不僅能用于設計階段,還可用于整個變換器的仿真從而驗證電路性能.4磁集成技術在電力電子中的應用4.1磁集成技術在開關電源中的應用隨著通信設備和計算機運行速度的不斷提高,低壓大電流輸出的開關電源成為現時開關電源的熱點產品之一.對于低壓大電流輸出的開關電源,要提高功率密度,必須減小體積、降低損耗.磁集成技術因為減小了磁芯的損耗和體積,而受到了廣泛地研究和應用.在這些應用中主要包括電感與電感的集成,變壓器與電感的集成,變壓器與變壓器的集成,根據電路拓撲結構的不同,繞組的集成方式也不同,圖3是幾種常見的繞組集成方式.當然這只是理論上的分析,只有根據實際電路的拓撲結構來設計繞組的排列方式才能獲得理想的效果.4.1.1在正激變換器中的應用正激變換器的磁集成主要是隔離變壓器與濾波電感的集成,對這種拓撲結構的集成在文獻[16、17]中都有描述.另外正反激變換器的集成[18、19]也屬于變壓器和電感的集成.在文獻[20]中,作者設計了一種磁集成的有源鉗位正激變換器,該變換器提高了工作頻率和功率密度.圖4是正激變換器的集成方式.4.1.2在半橋變換器中的應用二次側繞組帶中心抽頭的半橋變換器[21]大大地減小了輸出電感,通過對稱的占空比調制能容易地實現ZVS,但其二次側繞組的電流較大,制作繞組時需要分層繞制,因此,在導線選擇上很難同時滿足小的繞組側面積和高的工作效率的要求.倍流整流可以解決上述問題,而且特別適于低壓大電流輸出.4.1.3在倍流整流變換器中的應用用集成磁技術實現的倍流整流變換器[22]將變壓器的二次側繞組與輸出電感合并,如圖5所示.它的工作模式與普通變換器基本一樣.這種方法可有效地降低成本和銅損,提高工作效率和功率密度.在文獻[23]中作者還推導出了輸出電流紋波的計算公式,通過合理的參數選擇可以減小甚至消除輸出紋波.用磁集成技術設計出的變換器的工作效率可達90%.文獻[24]在此基礎上提出了新的集成方式,將原邊繞組分繞在磁芯的兩個邊柱上,這種方式可以減小漏感,如圖6所示.4.1.4在全波電路中的應用全波電路具有高工作效率、高功率密度和低開關應力等優點,是變換器常見的一種拓撲結構.對全波變換器的磁集成也得到了廣泛的研究[24~26].圖7是全波電路的集成方式.4.2其它方面的應用磁集成技術除了應用于開關電源,還可用于其它方面,如UPS[27]以及諧振型變換器[28~32].特別是近年來其應用主要集中于VRM(voltageregulatormodule)[33~35],由于VRM對輸出紋波精度與響應速度的要求很高,磁集成技術必將受到更大的挑戰.5結語本文綜述了磁集成技術的基本概念和分析方法,并列舉了其在電力電子中的應用研究.總之,隨著磁性器件日益小型化,高頻磁技術不斷深入,集成磁技術作為一種能提高磁性器件功率密度,減小磁件體積的應用技術必將在現代電力電子中占有越來越重要的地位,得到越來越廣泛的研究.歐美發達國家對磁集成技術這一前沿課題已展開了深入地研究.而我國對磁集成技術的研究尚處于起步階段,只有少數研究者涉足該領域.可以預見,隨著現代電力電子技術的發展[36],磁集成技術將是未來電力電子高頻磁技術發展的方向,并為電力電子行業帶來新的突破與創新.
這帖子竟然沒人頂,可惜啊.
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