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
阅读说明：本技术 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 (Transformer magnetic integration structure integrating leakage inductance and excitation inductance and integration method thereof ) 是由 许国 申秋霞 陈孝莺 孙尧 粟梅 王辉 刘永露 宁光富 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a transformer magnetic integration structure integrating leakage inductance and excitation inductance and an integration method thereof, belonging to the high-frequency isolation switch power supply direction in the field of power electronics. In order to overcome the problems of nonstandard magnetic core structure or low magnetic core volume utilization rate, complex design, limitation in popularization and application and the like in the common magnetic integration method, the invention uses two standard UI magnetic cores aiming at the converter with three magnetic element structures of leakage inductance, excitation inductance and a transformer, realizes the integration among the leakage inductance, the excitation inductance and the transformer by reasonably designing the winding connection mode and parameters.)
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Np1、UI磁芯A的副边绕组Ns1、UI磁芯B的原边绕组Np2、UI磁芯B的副边绕组Ns2。UI磁芯A的原边绕组Np1和UI磁芯B的原边绕组Np2串联后形成端口1和端口2，端口1和端口2与一次侧电压输入端连接，UI磁芯A的副边绕组Ns1和UI磁芯B的副边绕组Ns2串联形成端口3和端口4，端口3和端口4与二次侧电压输出端连接，通过所述的磁芯结构和绕组连接方式，实现对漏感和激磁感的变压器磁集成。
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，vp1、vp2分别为UI磁芯A、UI磁芯B原边绕组Np1和Np2两端的电压，vs1、vs2分别为UI磁芯A、UI磁芯B副边绕组Ns1和Ns2两端的电压，vp为原边绕组串联后形成的端口1和端口2之间的原边电压，vs为副边绕组串联后形成的端口3和端口4之间的副边电压。
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，ip1、ip2分别为流过UI磁芯A、UI磁芯B原边绕组Np1和Np2的电流，is1、is2分别为流过UI磁芯A、UI磁芯B副边绕组Ns1和Ns2的电流，ip、is分别为UI磁芯A和UI磁芯B原副边绕组串联后所形成的整体的原边电流和副边电流。
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，Np1、Ns1分别为UI磁芯A的原边绕组匝数和副边绕组匝数，Np2、Ns2分别为UI磁芯B的原边绕组匝数和副边绕组匝数，φ1为流过UI磁芯A的磁通量，φ2为流过UI磁芯B的磁通量。
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，Rg1、Rg2分别为UI磁芯A、UI磁芯B的磁阻，由于UI磁芯的磁导率远大于空气的磁导率μ0，忽略UI磁芯磁阻，因此Rg1、Rg2视为磁芯侧柱所开气隙的磁阻。
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L11为原边自感，M为互感，L22为副边自感。
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，Lk为变压器漏感，Lm为变压器激磁感。
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Lk，激磁感Lm；
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Rg1＝Rg2或Rg1≠Rg2两种情况下确定两个UI磁芯的绕组匝数Np1、Ns1、Np2、Ns2；
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Ae1，再根据lg1＝Rg1Ae1μ0可确定UI磁芯A的气隙长度lg1。
步骤4.2：得到UI磁芯B的横截面积Ae2，再根据lg2＝Rg2Ae2μ0可确定UI磁芯B的气隙长度lg2。由此，两个UI磁芯变压器设计完成。
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Np1、UI磁芯A的副边绕组Ns1、UI磁芯A的气隙lg1、UI磁芯B的原边绕组Np2、UI磁芯B的副边绕组Ns2、UI磁芯B的气隙lg2，更多的控制自由度能实现对此磁集成方法的灵活控制，有助于满足变换器工作所需参数，从而能够提高变换器的运行可靠性。
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S1、开关器件S2、开关器件S3、开关器件S4，A，B两点分别为一次侧有源桥的两个桥臂各自的中点，vAB为A点与B点之间的电压差；所述副边全桥包括开关器件S5、开关器件S6、开关器件S7、开关器件S8，C，D点分别为二次侧有源桥的两个桥臂各自的中点，vCD为C点与D点之间的电压差；ip和is为变换器的变压器一次侧以及二次侧的电流，V1为一次侧的直流电压，V2为二次侧的直流电压；磁集成部分包括漏感Lk、激磁感Lm、高频变压器T，iLm为流过激磁电感的电流。
开关器件S1的源极连接至开关器件S2的漏极，开关器件S3的源极连接至开关器件S4的漏极，开关器件S1的漏极和开关器件S3的漏极相连接，开关器件S2的源极和开关器件S4的源极相连接，开关器件S5的源极连接至开关器件S6的漏极，开关器件S7的源极连接至开关器件S8的漏极，开关器件S5的漏极和开关器件S7的漏极相连接，开关器件S6的源极和开关器件S8的源极相连接；所述输入滤波电容C1同原边全桥的开关器件S1的漏极、开关器件S3的漏极和开关器件S2的源极、开关器件S4的源极相连接；所述输出滤波电容C2同副边全桥的开关器件S5的漏极、开关器件S7的漏极和开关器件S6的源极、开关器件S8的源极相连接；所述原边直流电源同输入滤波电容相连接；所述副边直流电源同输出滤波电容相连接；磁集成变压器结构的原边和原边桥臂的中心A和B连接，磁集成变压器结构的副边和副边桥臂的中心C和D连接。
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Lk，激磁感Lm；
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Rg1＝Rg2或Rg1≠Rg2两种情况下确定两个UI磁芯的绕组匝数Np1、Ns1、Np2、Ns2；
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Ae1，再根据lg1＝Rg1Ae1μ0可确定UI磁芯A的气隙长度lg1。
步骤4.2：得到UI磁芯B的横截面积Ae2，再根据lg2＝Rg2Ae2μ0可确定UI磁芯B的气隙长度lg2。由此，两个UI磁芯变压器设计完成。
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Np1和Np2串联形成的端口1和端口2分别连接至原边全桥的桥臂中点，副边绕组Ns1和Ns2串联形成的端口3和端口4分别连接至副边全桥的桥臂中点，在所述的磁集成结构下，通过原副边直流电源的接入和开关管的驱动，磁集成变压器协助变换器实现双有源桥DAB的功率传输。
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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种省电铁芯