磁集成技术及其在电力电子中的应用

作者：华南理工大学 乔蕾 刘永强

欢迎访问e展厅 展厅 17 磁性材料展厅 磁芯, 铁氧体, ... 摘　要：功率磁性元件广泛用于电力电子装置中，它担负着磁能的传递、储存以及滤波和电气隔离等功能，采用磁集成技术可以有效地减小磁性元件的体积和损耗，提高功率密度和工作效率，改善输出纹波。本文综述了磁集成的概念、分析方法及其在电力电子中的应用。 关键词：磁集成；电力电子；变换器；应用 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电力电子装置中必不可少的关键器件。它担负着磁能的传递、储存以及滤波和电气隔离等功能，其体积和重量一般占到整个电路的20%至30%，损耗约占总损耗的30%。同时，磁性元件的各参数对电路的性能影响很大，如变压器漏感对电压尖峰的影响，变压器原、副边绕组的耦合电容对隔离性能的影响。因此，磁性器件的研究对于减小电力电子装置的体积和重量、提高电压调制性能有十分重要的意义。 近年来，随着开关器件和软开关技术的发展，人们通常采用提高工作频率的办法实现开关电 源的小型化，但是受到磁性器件特性的限制，高频化的方法有一定局限性。因为提高工作频率，会使磁性器件的磁芯损耗显著增加，所以在高频工作时磁性器件的磁芯一般要降额使用，磁芯的工作磁密远小于其饱和磁密，限制了磁性器件体积的进一步减小。为了能进一步减小磁性器件的体积、重量和损耗，提高磁件性能，人们研究了磁集成技术，并将其应用于电力电子磁性器件的设计中。 2 磁集成技术 2.1 磁集成技术的发展现状 自从Cuk第一次提出了磁件集成化［1，2］的思想后，磁集成的概念不断扩展，这一技术发展很快［3］，已成为电力电子行业发展的一个趋势。近几年，随着电力电子技术高频磁技术的不断发展，磁集成技术已经发展成为电力电子技术的一个分支，国外很多研究人员致力于这方面的研究，但国内的研究和应用还处于起步阶段。 2.2 磁集成技术的定义和特点 集成磁件实际上包含两方面含义［4，5］：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)。本文主要讨论第一类问题。 在电力电子中，磁集成技术主要应用于开关电源和UPS逆变器中，有以下优点：（1）减少开关电源中器件的数量；（2）使集成磁件的最大工作磁密小于各分立磁件的磁密和，以减小磁件磁芯的截面积，从而减小磁件磁芯的体积和重量；（3）使集成磁件磁芯磁通的脉动量减小，从而使磁件的铁损耗减小，提高开关电源的效率和功率密度；（4）改善开关电源的性能，如减小开关电源输入和输出电流的纹波，提高开关电源的瞬态响应速度等。 3 集成磁件的设计与建模 3.1 集成磁件的设计步骤 由于所设计的集成磁件是用于特定电路，因此，不仅要在设计的过程中考虑特定电路的要求，设计完成后对集成磁件的分析也很重要。另外，集成方式的选择要综合考虑其对铁损和电流脉动的影响，以优化电路性能。 集成磁件的设计大致可分四步： 第一步由分立磁件变换器推导出多种集成磁件变换器； 第二步结合具体电路，对比分析多种磁集成方案，从中选出最好的； 第三步完成集成磁件的参数计算与设计； 第四步对磁集成变换器进行仿真及其硬件实现。 对于功率变换电路，磁性元件对其性能的提高有重要的作用。例如，在输出端增加电感或使各个电感有所耦合有利于减小电流纹波，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。如果采用磁集成技术，电路拓扑中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。 3.2 集成磁件电路模型的建立方法 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。本节主要介绍现有的两种建立磁件等效电路的方法：磁路-电路对偶变换法和磁导-电容类比法。 3.2.1 磁路-电路对偶变换法 磁路-电路对偶变换法［4］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。步骤如下：①根据磁路欧姆定律，得到磁件的等效电路；②运用对偶原理，得到等效电路的对偶图；③对得到的对偶图进行尺度变换，得到电流、磁链关系图，以便于应用法拉第电磁感应定律得到等效电路；④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。 下面以图1（a）所示的集成磁件为例，简要说明整个推导过程。 (1)不考虑漏磁，根据图1(a)的参考方向，由欧姆定律得到磁件的磁路模型，如图1(b )所示。 (2)根据对偶变换的原则，由图1(b)所示的等效磁路推得其对偶图，如图1(c)。 (3)以Np1绕组为参考对图1(c)进行尺度变换，得到电流、磁链的关系图，如图1(d)所示。 (4)根据图1(d)所示的电流、磁链关系得到磁件的等效电路模型，如图1(e)。 用磁路-电路对偶变换法推得的等效电路是用电感和理想变压器来表征的，便于将集成电路与分立电路相比较，但它不能直接反映磁件的电路参数与磁路参数的特性［6］。为此人们提出了另一种建立磁件等效电路的方法，磁导-电容类比法。 3.2.2 磁导-电容类比法 这种方法是通过磁路参数与电路参数的类比关系，用回转器和电容来表征磁件的等效电路［7~11］。 根据表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(a)所示，由法拉第电磁感应定律及磁动势的定义，对N匝绕组有等式 由于φ·和F分别类比于电路中的电流和电压，上式给出的函数关系与电路中的二端口元件——回转器的数学模型相一致，因此，可以引入回转器作为绕组的等效电路模型，如图2(b)所示。用回转器模型表示磁件绕组，电容模型表示磁导，绕组匝数N相当于回转电阻，这样就可以得到磁件的等效电路模型。 显然，这个等效电路能同时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。用电流控制的电压源代替回转器，可以进行电路仿真，如图2(c)。用这种模型进行电路仿真时，可以方便地加入磁芯的非线性特性（如磁饱和特性等），使仿真结果更加准确。 对比以上两种建模方法可以看出： ①磁路-电路对偶变换法通过对磁路的对偶变换得到磁链与电流的关系，建立等效电路；磁导-电容类比建模法通过引入回转器作为绕组的等效模型，直接建立磁件的等效电路； ②用磁路-电路对偶变换法推得的磁件等效电路可用于分析磁件的电路与磁路特性，适用于理论分析； ③用磁导-电容类比建模法推出的等效电路，通过回转器、电容表征参数能同时反映磁件电路与磁路的特性，特别适于磁件的仿真研究。 3.3集成磁件的参数设计 由于集成磁件与一般的分立磁件结构不同，所以在磁芯型号、气隙大小、导线规格等参数的 选择上存在一定的难度。目前并没有通用的参数计算方法，设计者一般根据实际的要求选择设计方法。 文献［12］针对多路输出时在同一磁芯柱上增加的额外绕组与有限的磁芯窗口面积之间的矛盾，通过给定磁芯绕组的铜损，计算出磁芯的结构常数，从而得到理想的磁芯型号、气隙大小、绕组匝数以及导线规格。在文献［13］中，作者分别针对在磁芯中柱和磁芯边柱开气隙的两种情况进行磁通分布的分析，确定磁芯型号。文献［14］通过一种二维极限元分析方法［15］，来确定磁芯型号、磁芯气隙和绕组导线规格。该方法不仅能用于设计阶段，还可用于整个变换器的仿真从而验证电路性能。 4 磁集成技术在电力电子中的应用 4.1磁集成技术在开关电源中的应用 随着通信设备和计算机运行速度的不断提高，低压大电流输出的开关电源成为现时开关电源的热点产品之一。对于低压大电流输出的开关电源，要提高功率密度，必须减小体积、降低损耗。磁集成技术因为减小了磁芯的损耗和体积，而受到了广泛地研究和应用。 在这些应用中主要包括电感与电感的集成，变压器与电感的集成，变压器与变压器的集成，根据电路拓扑结构的不同，绕组的集成方式也不同，图3是几种常见的绕组集成方式。当然这只是理论上的分析，只有根据实际电路的拓扑结构来设计绕组的排列方式才能获得理想的效果。 4.1.1在正激变换器中的应用 正激变换器的磁集成主要是隔离变压器与滤波电感的集成，对这种拓扑结构的集成在文献［16、17］中都有描述。另外正反激变换器的集成［18、19］也属于变压器和电感的集成。在文献［20］中，作者设计了一种磁集成的有源钳位正激变换器，该变换器提高了工作频率和功率密度。图4是正激变换器的集成方式。 4.1.2在半桥变换器中的应用 二次侧绕组带中心抽头的半桥变换器［21］大大地减小了输出电感，通过对称的占空比调制能容易地实现ZVS，但其二次侧绕组的电流较大，制作绕组时需要分层绕制，因此，在导线选择上很难同时满足小的绕组侧面积和高的工作效率的要求。倍流整流可以解决上述问题，而且特别适于低压大电流输出。 4.1.3在倍流整流变换器中的应用 用集成磁技术实现的倍流整流变换器［22］将变压器的二次侧绕组与输出电感合并，如图5所示。它的工作模式与普通变换器基本一样。这种方法可有效地降低成本和铜损，提高工作效率和功率密度。在文献［23］中作者还推导出了输出电流纹波的计算公式，通过合理的参数选择可以减小甚至消除输出纹波。用磁集成技术设计出的变换器的工作效率可达90 %。文献［24］在此基础上提出了新的集成方式，将原边绕组分绕在磁芯的两个边柱上，这种方式可以减小漏感，如图6所示。 4.1.4在全波电路中的应用 全波电路具有高工作效率、高功率密度和低开关应力等优点 ，是变换器常见的一种拓扑结构。对全波变换器的磁集成也得到了广泛的研究［24~26］。图7是全波电路的集成方式。 4.2其它方面的应用 磁集成技术除了应用于开关电源，还可用于其它方面，如UPS［27］以及谐振型变换器［28~32］。特别是近年来其应用主要集中于VRM(voltage regulator modul e)［33~35］，由于VRM对输出纹波精度与响应速度的要求很高，磁集成技术必将受到更大的挑战。 5 结语 本文综述了磁集成技术的基本概念和分析方法，并列举了其在电力电子中的应用研究。总之，随着磁性器件日益小型化，高频磁技术不断深入，集成磁技术作为一种能提高磁性器件功率密度，减小磁件体积的应用技术必将在现代电力电子中占有越来越重要的地位，得到越来越广泛的研究。欧美发达国家对磁集成技术这一前沿课题已展开了深入地研究。而我国对磁集成技术的研究尚处于起步阶段，只有少数研究者涉足该领域。可以预见，随着现代电力电子技术的发展［36］，磁集成技术将是未来电力电子高频磁技术发展的方向，并为电力电子行业带来新的突破与创新。 参考文献 ［1］Cuk S.Modelling Analysis and Design of Switching Converters［D］.C alifornia Institute of Technology,1976 ［2］Cuk S,R D.A new optimum topology switching DC-to-DC converter［A］.In:Proceedings of 8thIEEE Power Electronics Specialists Conference［C］.New York,USA:1977.160-179 ［3］Cuk S.A new zeroripple switching DC-to-DC converter and integrated magnetics［J］.IEEE Trans on Magnetics,1983,19(2):57-75 ［4］蔡宣三，龚绍文(Cai Xuansan,Gong 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/9/2005)