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文档简介

1、摘耍:功率破性元件广泛用于电力电子装a?人它抠负軒磁能的传逶、綁存以及池波和电汽隔离笹功能,采用磁集成技术可以育效地域小磁 性元件的体积和慢帕提高功率密沒和it対输出紋液本文粽述了礁集成的t念、只皿注如汕电丿,电m豹汕i 关键诃:礎集成;电力电子;变换砖;应用 1前古 功率礁性元件足所育电力电子装富中必不可少的关鵠器件它担负着趙能的传递、储存以及濾波和电气隔离等功能体枳和-般山到 整个电賂的20%至30%损心 川心叩的30%肓般命性元件的各*数对电路的性能影响很大,如变压器泻客讨电爪尖峰的形响越爪器 BL副边绕组的耦合电容对IW离性能的影响丙此蕊“I粘杵的研尤M J诫小电力电r装覽的体枳和复A

2、L提高电圧调剧性能有十分靈要的 意义. 近年來脳狰开关器杵和软开关技术的发检人丫1通常采用捉簡I:作频率的办法实现开关电源的小型化,但足受到fisnas件錚性的限耐為 频化的方法有定时限件闵为捉心I:作频粘会使目性器件的礁芯极耗*茗增所以在尚频I:作时磁性器件的破芯般妥降额使用磁芯 (fl 1.作赵济远小TJtcitt和磁密JRfM了礁性番件体积的进一步减小为了能进一步减小礁性话件的体枳.鱼量和摘耗JWMK件性能,人们研 尤了礎集成技术,并将其应用于电力电子磯性器件的设计中. 2礎集成枝术 2.1礎集成技术的发履现状 自从cuk第一次提air件集成化1,2的思惣后破集成的i念不斯扩展,这技术发

3、展很快八成为电力电了巾业发展的一个趋势.近 几年,随着电力电子技术高频礎技术的不断发展集成技术已经发履成为电力电子技术的个分支,田外很多研究人员致力于这方面的研 究,但田内的研尤和应用还处于起步阶段. 2.2礎集成技术的定义和特点 集成鐵件实际上包含两方而會乂4,5: 足将E个礁性元件第成在一个磁芯结构上,充分利用各个St件在具体电路拓扑中的电丿氐电流关系 以及ffiKtJfi扑中的礎通、磁峥关系实现多个磁fl啲集成,以减小体积,捉髙开关电源的功率孫唆、降低损耗.改善綸出滤波效髪(例如将两 个或多个电感话绕制在个雄芯上);二足将役件元件与线路板结介(例如虫接将磁件的绕组制造在线路板I*采用妙般

4、技术将破芯和绕组 耐适在硅片上彎)本文主要讨论第-啖问題. 在电力电于中点集成技术主要网用开关电诟和UPS逆变器中旳以下优点:减少开关电源中砖件的数心使集成磁件的放大L作破 密小干务分立礎件的磁潸和,以减小磁件磁芯的哉而枳,从而减小戲件雄芯的体枳和用阳使集成破件磁芯通的脉动笊咸小,从而便磁 (T的铁損託咸仏捉局开关电i的效率和功率密I免改巒开关电淅的性能如域小开关电源输入和输出电流的纹液,捉岛开关电源的瞬态 响应速度彎. 3集成碓件的设计万堆模 3.1集成礎件的设计步驟 山于所设计的集成黴件足用干待定电路丽此.不仅耍在设计的过程中考虑持定电箱的耍求,设计充成后对集成58件的分析也很堪要另外,

5、集成方式的选择要综介考农兀对铁掛和电流耿功的彤响,以优化电路性能. 集成礎件的设计大致可分四步: 第一步山分立破件变换器推导出多种集成破件变换器; 第二步结合口体电路对比分析多种磁集成方热从屮选出赧好的; 第三步完成集成磁件的参数计篥与设计; 第四步对雄集成变换器进行仿真及JI峡件实现. 对于功率变换电路,黴性元件对其竹:能的捉高有建要的作用例如,在綸出漏地加电恿或使备个电感脊所耦存有利于械小电流纹波,但电烛数 JK的Wlniii h了磁件的数旅体积和损氐如!R采用S集成技札电必制卜中磁元件数fit的增加并不一定遺味着实际电略布置上確 结构所占体枳和磁件损耗的增加所以淮研允电略拓扑时,不便35

6、从电略柘扑方面考虑何轉还要注意将电路拣扑方案与磁件可能的集成结 构方崇综合在起研允,达到礎件结构吋电路结构的址佳组介. 3.2集成礎件电垢棋型的建立方法 礎件分析所采用的基本廉理足48路的基本定律及电破感应定徉为了分析磁件对电路的彤响厂般S5要堆立破件的等效电路本节主要介绍 现仔的两种建立磁件等效电路的方法屈路电路对偶变换法和檢导电容类比法. 3.2.1礁册电賂对偶变换法 磯踣电賂对偶受换法4足根据磁件的磁路模型,通过对假变换零方法导出磯件的电路模型步笑如下:报掘磯路耿姆定律,得到嚴件的等 效电路;运用对偶饥理御到答效电胳的対偶图;对得到的对偶图进行尺哎变换御到电漩、礎进关系图,以便T胞用法川

7、第电磁密应定律 那到答效电賂;根IK法拉第电礎埋陨定律及变斥器的俎抗竇换廉理,斜到答效电路. 下而以图1(a)所示的集成磁件为例简要说明整个推导过程. 仆=漏谢根朋图论)的參占方问川陕?定律側到備件的越路模型如图l(b )所几 (2) 根掘对偶变换的RHiJjIlffl 1(b)所示的等效確賂推得其对偶图,如图1(c). (3) 以Npl绕组为歩占对图1(c)进行尺度变换得到电说、図琏的关系图血1图1(d)所示. (4) 根1图1(d)所示的电瀝、磁链关系得到磁件的彎效电册模型,如图1(e). 小、与注册恪笹参数的选择上存在一定的难度前m汉冇通用n怡 数计算方法段计苕一般根橱实际的要求选择设计

8、方法. 文献12针对多路输岀时在问48芯柱上增加的额外绕组9仃限的磁芯窗口面积Z间的才氐通过给定雜芯绕组的铜血计并;1憾芯的结 构空叙从而得到理也的黴若型号气蝕大小、绕组匝数以及导线规格在文献13中川:冇分别紆对在晞芯中柱和峨芯边柱开气隙的两种悄 况进行磁通分布的分析,确定at若型号文种二雑极限元分析方法坊.来确定戲芯附;、牍:口导线规格该方法不 仅能用段,还可用干整个变换器的仿真从而鲨证电踣 未1磁銘与电络基本参数的类比关系 I Camparisopi r 山 bsic parnKlvrs of rngnfic circuit 何d vctricsd SSStt 符号 更动妒 UK V/V

9、惑通变化# d Y 电潼 Z/A 比 A /II ibs C/T tt O/Wh 电蓟 Q/C R (H nr ) 电卑曙 必(S m *J 4砾集成技术在电力电子中的域用 4.1 鮭成技术在开关电M中的应用 1着通佶设备和计算机运行連度的不断提鼠磁大电流输止的开关电憑成为现时开炎电源的品Z一对于低【IJ;电瀕*出的开关 电诉,耍捉簡功率密哎必须减小休枳.降低泯耗險集成技术因为綠小了戲芯的损耗和体枳,而受到了广泛地研几和同用. 在这些网用中主要包括电蟋吋电感的集站变爪器巧电感的集成,变爪器j变爪器的集成原卅电WH们卜结构的不问,绕组的集成方式也不同, 图3足儿种帘丸的绕组集成方式当然这只足理论

10、上的分析,只育根州实际电路的押扑结构来设计绕组的排列方式才能快鮒理出的效果. 4丄在正激变换髀中的题用 止激受换话的礁集成I要足隔浇变爪话9濾波电感的集成对这种山扑结构的集成在文献16、17中都仃描述列外正反激变换粘的集成1 8、19也展变压器和电憊的集成在文駅20中作者设计了 种磁集成的仃源曲位止滋变换距该变换器捉岛了匸作频率和功率密復图 4足疋滋殳换器的集成方式. 4.1.2 (半桥变换髀中的应用 二次侧绕组带中心抽头的半桥变换器2i大大地诫小了綸出电客通过对称的占空比调制能客易地实现ZVS,但尖二次甸绕组的电流较兄 制作绕组时需要分层绕制因比在导线选择上很难冋时满足小的绕组侧面积和商的工

11、作效率的要求借浇整滾可以解决上述问趣而且特别 适于低压大电流綸出 4.1.3任借流整流变换器屮的&用 用集成磁技术实现的倍流整流变换器22掷变压话的二次侧绕组勺输出电感介并沏图5所和它的I.作模式与普通较换泾找取样这种 方法可育效炮降低成本和的损捉尙1:作效牟和功率能度在文駅23屮作者加推导岀了楡出电流纹波的计并公式,通过合理的歩数选择可 以曲小甚至液除输出纹波用礁集成技术茨il出旳变换器的I.作效率可达90 %. J 2勺. 脚上提出了新的集成方朮梅原边貌组分 绕在雄芯的两个边林匕这种方式可以賊小潘感,的图6所示. (“电8S与变压SS的$戒 2) At in:cj;rjtcd irattf

12、ormef/inducr 电的借眩 (b An intccrjced inductor/mductor (O受斥器与变压JS的集成 An micgraicd tnnsfonrcr/tranUormcr 图J價成8件蜂组排列方氏 Uinding arrangcmcnB of intctrxtcd magnetics 轨廉成前迁滋变換器 Fig. 4 Intcnratcd forward converter 4.1.4在全波电路屮的烷用 匕高功率密畛和低开关应力尊优点 庞变换as常见的种删卜结构对全波变换番的破集成也得到门泛的研尤 2426图7足全波电路的集成方式. 4.2 J ;方面的应用 礎集

13、成技术除了应用T开关电甑还可用F其它方而血 UPS27以及谐撮型变换靦28T2持别足近年來氏胞用主要% f- VRM(volta ge regulator modul e)33-35r由于VRM对输出纹波轴即j珂应速度的要求很机潑集成技术必将受到更人的魏战 Hg. S Integrated current eublYr rcdirirr Hg. 6 Proposed intrgrjited current -douhier rlifivr 圈7 篁成的全波电路 He. 7 InlcRraltd full-Mair circuit 5结语 本文综述了磁集成技术的基木槪念和分析方法并列举了其在电力电子中的賊用研尤总乙随廿磁件

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