專利名稱：適用于多相交錯并聯(lián)變換器的耦合電感的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合于多相交錯并聯(lián)變換器中使用的耦合電感，屬于電 感器或電壓變換領(lǐng)域。
技術(shù)背景在開關(guān)電源中，濾波電感起了濾波和儲能的功能，具有十分重要的作用， 但這兩種功能存在著矛盾關(guān)系在保證濾波電感匝數(shù)和最大磁通不變的前提 下，若流過的平均電流越大，則要求磁芯磁阻越大，即濾波電感感值越小， 而若要提高濾波能力，則要求濾波電感感值增大。為了緩和這兩種矛盾，通 常采用保持磁阻不變、增大有效導(dǎo)磁面積，即增加磁件體積的方法。該矛盾 在同時承擔濾波和儲能功能的電感中總是存在。而近年來，隨著全球性的資源短缺，電力電子技術(shù)的發(fā)展不光要提高變 換器的電氣性能，還要盡量降低材料的消耗。耦合的電感和交錯并聯(lián)技術(shù)是 減小磁件的體積、材料的消耗，提高變換器的功率密度有效手段，在Buck、 Boost、 Forward、 Flyback、半橋變換器、隔離式全橋變換器等多種變換器和 電壓調(diào)整器(Voltage Regulator, VR)、功率因數(shù)校正器、車載電源、燃料電 池供電系統(tǒng)、光-伏發(fā)電系統(tǒng)等多種場合中得到了廣泛的應(yīng)用。對于兩相交錯并聯(lián)變換器，電感的耦合方式可分為正向耦合和反向耦合 兩禾中。Pit-Leong Wong， Peng Xu, P. Yang and RC. Lee. Performance Improvements of Interleaving VRMs with Coupling Inductors. IEEE Trans, on Power Electronics, 2001, 16(4): 499-507.針對這兩種耦合方式做了詳細的分析 和比較，指出反向耦合方式可以增大穩(wěn)態(tài)等效電感、減小動態(tài)等效電感，符 合變換器的穩(wěn)態(tài)低紋波、動態(tài)快響應(yīng)的要求，適合于VRM等快動態(tài)響應(yīng)要求 的場合。為了將反向耦合方式應(yīng)用于多相交錯并聯(lián)變換器，提高變換器穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能，Zumel P， Garcia O， Cobos J.A， Uceda丄Magnetic Integration for Interleaved Converters. Proc. IEEE APEC， 2003: 1143 — 1149.提出采用一副多磁 路磁芯來實現(xiàn)所有電感的集成，減小了磁芯體積，但是這種耦合方式的磁芯 仍然同時承擔儲能和濾波的功能，存在著兩種功能的固有矛盾，這制約了體 積的進一步優(yōu)化。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有的多相交錯并聯(lián)變換器中使用的多磁 路磁芯中儲能功能和濾波功能之間的固有矛盾導(dǎo)致磁件體積較大的缺點，提 供一種能在保證反向耦合的基礎(chǔ)上，將磁件中的儲能功能和濾波功能分開， 分別由不同的磁性元件實現(xiàn)，能分別對磁性元件進行優(yōu)化設(shè)計，大大減小磁 件的體積的適合于多相交錯并聯(lián)變換器的耦合電感。本發(fā)明的適合于多相交錯并聯(lián)變換器的耦合電感，其結(jié)構(gòu)主要由兩相繞 組組成的反向耦合變壓器和儲能電感組合而成，對于n相交錯并聯(lián)變換器， 其中的反向耦合變壓器個數(shù)為n-l或n或n(n-l)/2個，其連接關(guān)系分別為中心 式或首尾閉合式或兩兩組合式，所述中心式為選取一相拆分、串聯(lián)，其它各 相均與該相繞組構(gòu)成反向耦合變壓器；所述首尾閉合式為將每相繞組拆分為2 個繞組串聯(lián)，相鄰兩相繞組構(gòu)成反向耦合變壓器，依次組合形成閉環(huán)連接； 所述兩兩組合式為每相繞組拆分為"-l個繞組串聯(lián)，任意兩相繞組構(gòu)成反向耦 合變壓器，其中的儲能電感與反向耦合變壓器中的至少一相繞組串聯(lián)連接， 儲能電感的繞組個數(shù)為1 n個，儲能電感的各相繞組相互獨立或正向耦合。所述反向耦合變壓器包括鐵心、各相繞組^7;("=1， 2， 3...")，鐵心可選 用鐵氧體、微晶、超微晶等高頻鐵磁材料；儲能電感包括鐵心、各相繞組 A^ ("=l， 2， 3…")，鐵心濾可選用鐵氧體、微晶、超微晶、鐵粉芯等多種鐵 磁材料，繞組可采用平面型繞組或者巻繞式繞組來實現(xiàn)。本發(fā)明與傳統(tǒng)的多磁柱耦合電感相比的主要技術(shù)特點是，通過調(diào)整反向 耦合變壓器的匝比和勵磁電感與儲能電感感值，可使得反向耦合變壓器中不 含有直流磁通，不承擔儲能功能，從而可以減小其體積。同時反向耦合變壓 器表現(xiàn)為隨驅(qū)動信號變化的電壓源，且該電壓源總是減小濾波電感兩端的壓降，這使得儲能電感的電流脈動和交流磁通大大減小，從而可以減小儲能電 感的磁件損耗和磁件體積。本發(fā)明的適合于多相交錯并聯(lián)變換器的耦合電感，滿足了反向耦合關(guān)系， 通過對儲能功能和濾波功能的拆分，使其分別由儲能電感和反向耦合變壓器 承擔，能有效避免多磁路磁芯中儲能功能和濾波功能之間的固有矛盾，進一 步減小了磁件損耗和體積，提高了變換器功率密度、變換效率、以及輸出動 態(tài)性能，適合多相交錯并聯(lián)變換器使用。


附圖1本發(fā)明的中心式反向耦合變壓器的一種連接關(guān)系圖； 附圖2是本發(fā)明的首尾閉合式反向耦合變壓器的連接關(guān)系圖； 附圖3是本發(fā)明的兩兩組合式反向耦合變壓器的連接關(guān)系圖； 附圖4是本發(fā)明所涉及的采用圖1的中心式反向耦合變壓器1與各相支 路分別串聯(lián)一個相互獨立的儲能電感2的組合方式，圖中，&、 62、 63、 ^為中間節(jié)點，w:n、 7vr2、 ；\^3...^7;為反向耦合變壓器的各相繞組，z為各相儲能電感的感值；附圖5是本發(fā)明所涉及的采用圖1的中心式反向耦合變壓器1與某一相 串聯(lián)一個儲能電感2的組合方式，圖中，6'為中間節(jié)點，^711'、7\^2'、7\^3'...^7;' 為反向耦合變壓器的各相繞組，丄'為儲能電感的感值；附圖6是本發(fā)明所涉及的采用圖1的中心式反向耦合變壓器1與w個正 向耦合的儲能電感2的組合方式，圖中，&、 62、 63、 Z^為中間節(jié)點，A7V'、 iVTVWTV'..JVT;"為反向耦合變壓器的各相繞組，Z;'為各相儲能電感的自感值。附圖7是本發(fā)明的耦合電感實際用于多相交錯并聯(lián)Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，&、 62、 63、 6n為中間節(jié)點，mv Arr2、 A^…m;為反向耦合變壓器1的各相繞組，￡為各相儲能電感2的感值，^為輸入電壓，r加, 為輸出電壓，C/為輸出濾波電容，A、 D2、 A。。,Dw為續(xù)流二極管，2i、込、込。。。a為主開關(guān)管。附圖8是本發(fā)明的耦合電感實際用于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的電路結(jié) 構(gòu)示意圖，圖中，J^為輸入電壓，F(xiàn)。w為輸出電壓，C/為輸出濾波電容，i^、5D2為續(xù)流二極管，0、込為主開關(guān)管，丄M為反向耦合變壓器1的勵磁感感值，a為儲能電感2的感值，/, 為輸入電流，為支路l的電流，/2為支路2的電 流。上述附圖中的主要符號名稱"為該耦合電感的輸入/輸出端子，q、 ^、^3、^分別為該耦合電感的輸出/輸入端子，7;;/(0'=1,2,3,...")為反向耦合變壓器。
具體實施方式
附圖非限制性公開了本發(fā)明的幾個具體實施例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進 一步描述如下。本發(fā)明的實施例l，參照附圖l，是中心式反向耦合變壓器示意圖。支路3的變壓器繞組被拆分成w-l份，與其余的M-l相支路構(gòu)成"-l個反向耦合變壓器，"*"為同一個反向耦合變壓器的兩相繞組的同名端。本發(fā)明的實施例2，參照附圖2，是首尾閉合式反向耦合變壓器示意圖。 每相繞組被拆分為2個繞組串聯(lián)，相鄰兩相繞組構(gòu)成反向耦合變壓器，依次 組合形成閉環(huán)連接，其反向耦合變壓器的數(shù)量為"個。本發(fā)明的實施例3，參照附圖3，是兩兩組合式反向耦合變壓器。每相繞 組拆分為"-l個繞組串聯(lián)，任意兩相繞組構(gòu)成反向耦合變壓器，其反向耦合變 壓器的數(shù)量為《(>2-1)/2個。本發(fā)明的實施例4，參照附圖4，是由中心式反向耦合變壓器l與各相支路分別串聯(lián)一個相互獨立的儲能電感2組合而成的耦合電感。7v:^、 wr2、 7\^3...^7;為變壓器的各相繞組，i:為各相儲能電感的感值。各反向耦合變壓器7^vm,2,3…")匝比為1: 1，勵磁電感感值為；。本發(fā)明的實施例5，參照附圖5，是由中心式反向耦合變壓器l與某一相 串聯(lián)一個儲能電感2組合而成的耦合電感。圖中儲能電感2位于第三相支路3 ， 7V7V、 iV7V、 /^3'...^7;'為變壓器的各相繞組，丄'為儲能電感的感值，變壓器勵 磁電感感值為丄二根據(jù)端口網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，附圖5所示電路可由附圖4等效變換而來，當各反向耦合變壓器匝比a^'(卜i,2，4..."): Arr3'=zOT/a+zJ、zm'= z+zm、r= a2+"z") / "+u時，附圖4和附圖5所示電路的電氣性能完全相同。本發(fā)明的實施例6，參照附圖6，是由中心式反向耦合變壓器l與w個正向耦合的儲能電感2組合而成的耦合電感。iV7V'、 AT2"、 TVTV'..JVT;"為反向耦 合變壓器的各相繞組，r'為各相儲能電感的自感值，U'為變壓器勵磁電感感 值。根據(jù)端口網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，附圖6所示電路可由附圖4等效變換而來，當各反 向耦合變壓器匝比等于l: 1、丄附"=4 、丄"=丄/"時，附圖6和附圖3所示電路 的電氣性能完全相同。對于首尾閉合式和兩兩組合式反向耦合變壓器，其與儲能電感的組合關(guān) 系與實施例4-6相同。本發(fā)明的實施例7，參照附圖7，是本發(fā)明的耦合電感實際用于多相交錯 并聯(lián)Boost變換器的電路示意圖，圖中各相支路開關(guān)管^、込、込。。。&的驅(qū) 動信號相差360/w度。本發(fā)明的實施例8，參照附圖8，是本發(fā)明的耦合電感實際用于兩相交錯 并聯(lián)Boost變換器的一個具體實施例，圖中開關(guān)管^、 g2的驅(qū)動信號相差180 度，如變換器設(shè)計要求為輸入電壓^-80 375VDC，輸出電壓乙產(chǎn)390VDC, 額定輸出功率i^尸l^W，開關(guān)頻率/fl00AHz，最大電感電流脈動為最大平均 電感電流的25%。采用本發(fā)明耦合電感時，其設(shè)計結(jié)果如下反向耦合變壓 器選用鐵氧體磁芯TX39/20/13，繞組匝數(shù)為45匝，勵磁電感的感值為1.74mH， 匝比為l: 1;儲能電感選用鐵粉芯77934，繞組匝數(shù)為40匝，儲能電感感值 為17 H。在相同的指標下，若采用傳統(tǒng)的三磁柱耦合電感，其設(shè)計結(jié)果如 下磁芯選用鐵氧體磁芯EE55/28/21，繞組匝數(shù)為48匝。經(jīng)比較，電氣性能 相同時，本發(fā)明耦合電感的磁芯的體積和重量僅為傳統(tǒng)三磁柱耦合電感的 40%。
權(quán)利要求
1、一種適合于多相交錯并聯(lián)變換器的耦合電感，其特征在于包括由兩相繞組組成的反向耦合變壓器和儲能電感組合而成，對于n相交錯并聯(lián)變換器，其中的反向耦合變壓器個數(shù)為n-1或n或n(n-1)/2個，其連接關(guān)系分別為中心式或首尾閉合式或兩兩組合式，所述中心式為選取一相拆分、串聯(lián)，其它各相均與該相繞組組成反向耦合變壓器；所述首尾閉合式為將每相繞組拆分為2個繞組串聯(lián)，相鄰兩相繞組構(gòu)成反向耦合變壓器，依次組合形成閉環(huán)連接；所述兩兩組合式為每相繞組拆分為n-1個繞組串聯(lián)，任意兩相繞組構(gòu)成反向耦合變壓器，其中的儲能電感與反向耦合變壓器中的至少一相繞組串聯(lián)連接，儲能電感的繞組個數(shù)為1～n個，儲能電感的各相繞組相互獨立或正向耦合。
全文摘要
本發(fā)明的適用于多相交錯并聯(lián)變換器的耦合電感，其結(jié)構(gòu)主要由兩相繞組組成的反向耦合變壓器和儲能電感組合而成，對于n相交錯并聯(lián)變換器，其中的反向耦合變壓器個數(shù)為n-1或n或n(n-1)/2個，其連接關(guān)系分別為中心式或首尾閉合式或兩兩組合式，其中的儲能電感與反向耦合變壓器中的至少一相繞組串聯(lián)連接，儲能電感的繞組個數(shù)為1～n個，儲能電感的各相繞組相互獨立或正向耦合。通過對儲能功能和濾波功能的拆分，使其分別由儲能電感和反向耦合變壓器承擔，能有效避免多磁路磁芯中儲能功能和濾波功能之間的固有矛盾，進一步減小了磁件損耗和體積，提高了變換器功率密度、變換效率、以及輸出動態(tài)性能，適合多相交錯并聯(lián)變換器使用。
文檔編號H02M3/315GK101567255SQ20091002457
公開日2009年10月28日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者任小永, 徐立剛, 陳乾宏 申請人:南京航空航天大學