磁集成技術的應用研究綜述

磁集成技術的應用研究綜述

1磁集成技術,提高磁件體積、重量及損耗的性能隨著能源電子學科的發(fā)展成熟，人們逐漸認識到磁體（包括電源、電機等）不僅是電池中重要的功能元件，而且還具有能量儲存、傳輸、濾波和電氣隔離的功能。此外，體積、重量和損失也占整個機器的比例相當大[1.4]。據(jù)統(tǒng)計,磁件的重量一般是變換器總重的30%～40%,體積占總體積的20%～30%,對于高頻工作、模塊化設計的電源,磁件體積、重量所占的比例還會更高,并成為限制模塊高度的主要因素。另外,磁件還是影響電源輸出動態(tài)性能和輸出紋波的一個重要因素[4～6]。因此,要提高電源的功率密度、效率和輸出品質(zhì),不能僅局限于拓撲和軟開關技術等研究,還需要對減小磁件體積、重量及損耗的相關技術開展研究與應用,以滿足電源發(fā)展的需要。其中,磁集成技術就能有效減小磁件的體積、重量、損耗以及電源輸出紋波[2～8]。所謂磁集成技術,就是將變換器中的兩個或多個分立磁件(DiscreteMagnetics,DM)繞制在一副磁心上,從結構上集中在一起。集中后的磁件被稱為集成磁件(IntegratedMagnetics,IM)。通過一定的耦合方式、合理的參數(shù)設計,該技術能有效減小磁件體積和損耗,在一定的應用場合還可減小電源輸出紋波、提高輸出動態(tài)性能[2～8]。另外,磁集成技術能減少連接端,可有效減少大電流場合連接端子的損耗。本文將回顧磁集成技術的發(fā)展歷史,對磁件等效電路模型、磁集成技術主要應用研究內(nèi)容、常用的集成方式等進行系統(tǒng)的歸納、總結。2磁集成技術的應用1933年,G.B.Crouse申請了采用耦合電感濾波電路的專利,這就是最早的IM應用電路。隨著對耦合電感研究的深入,人們逐漸認識到耦合電感具有減小電流脈動的優(yōu)點。自G.B.Crouse提出IM應用電路后的40年間,磁集成技術的研究一直局限在電感與電感的集成。直到1971年,J.Ceilo和H.Hoffman申請了采用IM推挽變換器的專利,將變壓器和電感集成在一起,并稱其為“combinedtransformerandinductordevice”,IM的概念才初步顯現(xiàn),磁集成技術也進入了多種磁件集成的時代。20世紀的70年代到80年代中期,是磁集成技術快速發(fā)展的時期。這期間,出現(xiàn)了較多的磁集成技術的專利,其中以Slobodan.Cuk及GordonBloom等人的貢獻較為突出。20世紀70年代末,Slobodan.Cuk將磁集成技術成功地應用在Cuk變換器[14～17],不僅減小了磁件體積,更降低了電流紋波,從而引起人們對磁集成技術的關注。80年代后,G.D.Bloom第一個對磁集成技術的意義、發(fā)展及分析方法進行較系統(tǒng)的總結和介紹[8,18～20],明確指出磁集成技術可應用于多種變換器來抑制電流紋波,并推導出多種IM正激變換器和隔離的IM-Boost變換器。20世紀80年代中,盡管人們認識到磁集成技術的優(yōu)點,但其實際應用主要局限在多路輸出電源中,限制其推廣應用的原因主要有以下幾點:(1)磁件設計較復雜。與DM相比,IM的設計是多磁路設計,難度略大。(2)IM的繞組結構比較復雜,制作相對困難。用傳統(tǒng)的繞制方法,不僅會降低生產(chǎn)效率,而且不易保證磁件寄生參數(shù)的一致性,降低了IM的實用價值。20世紀90年代以后,隨著扁平磁件應用的推廣、磁件生產(chǎn)自動化程度的提高,IM的應用變得相對容易;同時,電源的不斷發(fā)展也對其體積、輸出動態(tài)性能、效率等提出了較高的要求,尤其是微處理器的飛速發(fā)展對新一代高功率密度電源提出了更大的挑戰(zhàn),這些都促進了磁集成技術的研究與應用。1997年,WeiChen將倍流整流電路(CurrentDoublerRectifier,CDR)中兩個濾波電感和變壓器進行集成,不僅提高了電源的功率密度,還減少了大電流連接端子,使IM在大電流輸出場合具有了較高的應用價值。這一研究使磁集成技術成為新的研究熱點。這段時期內(nèi),磁集成的研究內(nèi)容從具體電路中的應用拓寬到IM的新的分析方法、仿真模型的研究[21～25]。磁集成技術被應用在多種場合,如電壓調(diào)整模塊(VoltageRegulationModule,VRM)[26～29]、功率因數(shù)校正變換器[30～33]、諧振變換器等,以減小磁件體積、電流紋波及損耗。20世紀90年代后,國內(nèi)也開始了對磁集成技術的認識和研究。在1990年版的《開關穩(wěn)壓電源》中已經(jīng)簡要提到了磁集成技術的作用,到1993年,蔡宣三教授正式引入了IM的概念,詳細介紹了磁件的對偶變換建模法以及一些IM變換器的工作原理。磁集成技術的具體研究到90年代末才正式展開,福州大學磁學研究所、臺達上海電力電子研發(fā)中心以及南京航空航天大學航空電源重點實驗室等都在從事相關研究,并已取得了一定的成果。經(jīng)過70多年的發(fā)展,磁集成技術的研究與應用越來越多樣化和系統(tǒng)化,可分為兩大類:(1)磁件等效電路模型研究——包括建模方法、仿真模型的精確化等。(2)具體應用——如何結合具體電路進行磁件集成,充分發(fā)揮其技術優(yōu)點。3基于等效電路的磁件模型磁件建模的理論依據(jù)是磁路的基本定律和電磁感應定律,建模方法的應用并不局限于IM,但與DM相比,建立其等效電路模型對于分析IM對電路的影響更顯得愈發(fā)重要。目前主要有兩種磁件等效電路模型:電感、變壓器表征的等效電路以及回轉器、電容表征的等效電路。推導電感、變壓器表征的等效電路的方法主要是對偶變換方法,即根據(jù)磁件的磁路模型,進行對偶變換從而導出磁件的電路模型。建模過程可分為四步:首先根據(jù)磁路歐姆定律,畫出磁件等效磁路;然后運用對偶原理,得到等效磁路的對偶圖;對對偶圖進行尺度變換,得到電流、磁鏈關系圖;最后,應用法拉第電磁感應定律和變壓器的阻抗變換關系,由電流、磁鏈關系圖變換得到等效電路。對偶變換的目的是將磁動勢包含的i與電路的電流i、磁通Φ與電路中的電壓v(v=N?&)建立聯(lián)系,以完成磁路向電路的轉換。如果對磁件等效電路結構比較熟悉,也可以根據(jù)電感的定義式L=ψ/i推導各端口的等效電感,結合表達式和變壓器阻抗變換關系、電路串并聯(lián)關系畫出等效電路。兩種方法實質(zhì)相同。磁件的電感-變壓器等效電路模型與常用電路相同,便于電路的直接比較、解析分析等,應用廣泛,但推導過程繁瑣,因此,文獻對磁件按照磁柱劃分,得到磁件的電感-變壓器等效電路通用模型,解決了這一問題。但是,建立復雜磁心結構磁件的電感-變壓器等效電路很困難,而且電感-變壓器等效電路未能直接反映磁件的磁路參數(shù)。為此,DavidC.Hamill在1993年提出另一種磁件等效電路模型:回轉器-電容等效模型?；剞D器-電容等效模型是根據(jù)Buntenbach1968年提出的磁路與電路的類比關系(即:磁導類比于電容、磁通類比于電荷、磁動勢類比于電壓、磁通變化率類比于電流)而得出的磁件等效電路。根據(jù)所采用的類比關系稱其建模方法為磁導電容類比法,下面用圖1a所示的電感為例進行說明。圖中Φ為磁通、Λm為鐵心磁導、Λ為氣隙磁導,v、i為磁件繞組的電壓、電流,N為繞組匝數(shù),F為繞組電流產(chǎn)生的磁勢。該磁件可分為兩部分:(1)連接磁路與電路的繞組。(2)磁路部分。其中繞組連接電路和磁路,可被看作二端口元件。根據(jù)法拉第電磁感應定律及磁動勢的定義,對于該繞組有式(1)成立由于和F分別類比于電路中的電流和電壓,式(1)給出的函數(shù)關系與電路中的二端口元件——回轉器的特性一致,因此可用回轉器作為繞組的等效電路模型,如圖1b所示。其中,繞組匝數(shù)N相當于回轉電阻,成為有量綱參數(shù),單位為?。在繞組的回轉器模型包含了F、等磁路參數(shù),因此磁路部分的模型只需要表征磁路的特性參數(shù)。根據(jù)類比關系,可以直接用電容替代鐵心和氣隙磁導,磁路中各種關系不變。這樣就得到圖1b。顯然,對于任意磁件,用回轉器模型表示磁件繞組、電容模型表示磁導,就能得到磁件的等效電路模型。該建模方法簡便、直接,并同時反映磁件的電路和磁路特性。用電流控制電壓源代替回轉器,如圖1c所示,就可進行電路仿真。此外,該模型中磁心的特性參數(shù)相對獨立,磁心的飽和、滯環(huán)等特性可以較方便的加入其中,而用電感-變壓器等效模型則需要折算為電感。因而回轉器-電容模型既能同時仿真得到電和磁的參數(shù),又有利于磁件的精確仿真,還使得建立標準化、系列化的磁心仿真模型庫具有強的實用價值,在磁件仿真分析上具有明顯優(yōu)勢,吸引了人們的研究興趣。D.C.Hamill提出用壓控電壓源等效磁心的飽和;M.Eaton用受控源進一步等效了磁心的滯環(huán)特性,并提出回轉器-電容-電阻磁心等效模型,其中電阻用來表示磁心損耗;文獻[24,25]將該方法用于IM的仿真分析。4磁體技術的應用4.1磁心改造與組合根據(jù)法拉第電磁感應定律可知,當繞組匝數(shù)和端電壓不變,磁集成不會改變繞組匝鏈的交變磁通。因此,多個磁件集成,一般要求磁心具有多磁路特性,才可將多個交變磁通未必相同的DM集成起來,多磁路特性磁心是多磁件集成的物質(zhì)基礎。如何得到多磁路特性的磁心?顯然,應用常規(guī)磁心最為方便。現(xiàn)有常規(guī)磁心中,EI、EE型磁心本身具有多磁路特征,因而在磁集成中應用最廣泛。用現(xiàn)有磁心改造和組合是獲得多磁路特性磁心的另一種較實用的方法[34～37]。CharlesS.Walker較早的提出在磁心中外加導磁體來獲得多磁路,如圖2a,通過在罐型磁心的中部加入一片導磁體,將罐型磁心分為上下兩部分,使磁通從三條磁路流通,導磁體和磁心之間的氣隙可用來調(diào)節(jié)磁通分布。該磁心被用于諧振變換器中實現(xiàn)電感和變壓器的集成。CharlesS.Walker還將其推廣更多磁支路的劃分,以用于多磁件集成。MikeMeinhardt將該方法用于EE平面變壓器,并提出取消氣隙、通過改變導磁體的材料和厚度來調(diào)節(jié)磁通,解決氣隙中散磁帶來的損耗。磁心的組合結果較多,如圖2b、圖2c為E型磁心組合的結果。其中圖2c為ArkadiyKats提供的磁心組合方法,可以實現(xiàn)漏感的控制。如圖2c所示,磁心A、B被組合使用,變壓器的一次繞組繞在兩副磁心上,二次繞組僅繞在磁心A上,使變壓器的漏感集中到一次側,通過調(diào)節(jié)磁心B的氣隙可精確控制漏感的大小,解決了二次側漏感帶來的二極管電壓尖峰及反向恢復問題。該磁件在諧振變換器中得到成功的應用。為實現(xiàn)更高密度的集成,多窗口的磁心、矩形集成磁件磁心等新型多磁路磁心也被不斷提出、研究和應用。4.2結論u3000DM集成后互相沒有耦合作用則為解耦集成,解耦集成主要影響磁件的體積和損耗,對電壓、電流影響很小。解耦集成是磁集成的通用方法,目前有兩種解耦集成的方法。提供低磁阻磁路實現(xiàn)解耦(方法1)是常規(guī)的解耦方法,文獻正是采用該方法實現(xiàn)交錯并聯(lián)電路中電感的集成。圖3說明如何運用該方法實現(xiàn)兩電感的解耦集成。圖中N1、N2為電感繞組,繞在磁心兩側柱上。磁心中柱無氣隙,其磁阻遠小于有氣隙的側柱,所以N1、N2產(chǎn)生的磁通經(jīng)中柱形成回路,互相之間基本無耦合。該方法可以推廣到多個磁件的解耦集成。由于需要一條獨立、低磁阻的公共磁路,n個磁件解耦集成要求磁心至少有n+1個磁支路。從該解耦思路出發(fā),文獻提出了推導IM變換器的通用方法。文獻提出了另一種通過抵消耦合作用實現(xiàn)解耦集成的方法(方法2)。用圖4來說明如何運用到兩電感的解耦集成。圖中,電感1繞在磁心中柱,匝數(shù)為N1,磁通經(jīng)兩側柱閉合。如圖4所示,為了抵消電感1產(chǎn)生的磁通,電感2被拆成N21、N22兩個繞組串聯(lián)繞在側柱上,使電感1產(chǎn)生的磁通在磁心左側柱與N21產(chǎn)生的磁通方向相反,而在右側柱與N22的方向相同。進一步合理設計磁阻,就可抵消磁通耦合作用實現(xiàn)解耦。文獻把該方法推廣到電感與變壓器、變壓器與變壓器的集成。由圖4可以看出,中柱繞組對兩個側柱磁通的作用相反,側柱最大磁密差別明顯。對此,文獻進行了改進:將N22移到磁心中柱、電感1移到磁心右柱,使磁通盡量均分,提高磁心的利用率。方法2除了存在磁通分布不均的問題,還有不易于推廣到多個磁件的解耦集成。4.3變壓器與變壓器集成根據(jù)磁集成的對象可將磁集成技術分為電感與電感集成、電感與變壓器集成以及變壓器與變壓器集成,其中變壓器集成主要采用解耦集成方法,這里介紹前兩類磁集成。4.3.1磁集成方式的應用電感與電感集成得到通常講的耦合電感,根據(jù)電感繞組電壓的關系可分為兩類。(1)繞組電壓成比例[8,11,14～17,20,30～33]繞組電壓成比例意味著繞組匝鏈的交變磁通相同,因此可用單磁路磁心進行磁集成。這類磁集成被用于減小電流脈動甚至獲得零紋波,應用非常廣泛。對這類耦合電感減小電流脈動原因的解釋很多,互感或變壓器的分壓作用、疊加性原理的分析等等,文獻還從磁通疊加的角度指出交變磁通的正向耦合能減小電流脈動,可普遍解釋磁集成對電流紋波的影響。這類IM的實際應用方法簡單、通用。對于電感繞組電壓存在比例關系的電路拓撲,如Cuk變換器、電壓型多路輸出電源,可直接將分立電感集成。對于一般變換器,GordonBloom早就提出可以外加電感和電容,實現(xiàn)紋波抑制。圖5說明如何在Buck變換器應用該方法,圖中Lo為輸出濾波電感,La為外加電感,Ca為外加電容。穩(wěn)態(tài)時,不考慮電容電壓脈動,Ca上電壓與輸出電壓相等,所以La與Lo上的電壓滿足電壓成比例的條件,電感集成能減小輸出電流脈動,合理設計參數(shù)可實現(xiàn)輸出零紋波。此類IM的應用極其廣泛。(2)電感繞組電壓有相位差[5,27～30]這一類電感集成主要應用于多路交錯并聯(lián)工作的變換器,如VRM變換器等。根據(jù)磁通作用的不同可將磁集成方式分為兩種:正向耦合和反向耦合方式。當繞組產(chǎn)生的磁通互相增強,就是正向耦合方式;反之,為反向耦合方式。文獻[3,27]討論了兩種集成方式對兩電感集成的影響,文獻又考慮了耦合和解耦,分析了不同集成方式對多相電路、多電感的集成的影響。研究結果表明,磁通反向作用集成方式相對更優(yōu)。4.3.2次側串聯(lián)音頻復合器電感與變壓器集成被應用于多種隔離型變換器,如正激變換器、推挽變換器、CDR電路、單級功率因數(shù)校正電路以及諧振變換器。其中,IM-CDR電路一直是研究熱點,下面簡要回顧一下IM-CDR電路的不斷改進與完善。圖6a是DM-CDR電路,圖6b為C.Peng提出的最早的IM-CDR電路,雖然減小了磁件數(shù)量,但較多的繞組和連接端限制了IM的應用。將圖6b二次繞組拆分,并與電感繞組合并就得到WeiChen提出的IM方案,見圖6c。這種方案減少了連接端子和繞組數(shù)量,非常適用于大電流場合。但該磁件中,繞組分別位于三個磁柱,存在較大的漏感,會降低變換器性能。此外,為了減小一次側電流脈動,氣隙集中在側柱而中柱無氣隙,一方面不利于生產(chǎn)、安裝,而且氣隙處的散磁還會增加銅損。為此,PengXu拆分圖6cIM的一次側繞組、改變繞組連接方式,并將氣隙集中到磁心中柱,得到圖6d所示的IM。改進的IM不僅減小了漏感,結構更便于生產(chǎn),還有利于減小鐵心損耗和電流脈動?？梢钥闯?一種DM電路對應有多種IM電路和結構,磁件的變換(如繞組拆分法)是IM改進、完善的基礎,結合電路對IM進行比較、改進、完善是充分發(fā)揮IM作用的關鍵。5磁體技術的總結5.1氣隙的多樣化多解性是磁集成技術的主要特點,體現(xiàn)在:(1)繞組結構的多樣化——分或合并。(2)磁通作用方式的多樣化——磁通可耦合或解耦,可互相疊加或削減。(3)氣隙的多樣化——IM的氣隙求解是多個不等式的聯(lián)立求解,本身就是多解問題。多解的比較和選擇主要從以下幾點展開:寄生參數(shù)(主要指漏感)、電流脈動、磁通及其分布以及可生產(chǎn)性。以氣隙為例,有三種可行方案,如圖7所示,圖7a中柱氣隙為零;圖7b氣隙集中在中柱,兩側氣隙相等;圖7c三個磁柱氣隙相等。圖7b和圖7c更適于生產(chǎn)。5.2交流磁通集成從IM中磁通作用關系出發(fā),主要有四種磁件集成方式:(1)直流磁通與交流磁通疊加——主要用于高頻場合的電感與變壓器的集成。通過磁件集成,將電感繞組產(chǎn)生的直流磁通耦合到變壓器的繞組中,提高磁心利用率,能有效地減小磁件體積。例如IM正激變換器[8,19～20]等。(2)交流磁通在公共磁柱的交錯并聯(lián)或互相抵消——用于繞組有相位差的電感與電感的集成、交變磁通相對方向固定的電感與變壓器的集成?？山档痛判墓泊胖慕蛔兇琶?相應能減小鐵心損耗。如VRM變換器中的電感集成等[27～30]。(3)直流磁通與直流磁通互相削減——這種集成方式有利于磁件體積的減小。可用于一般的電感與電感的集成等。(4)繞組產(chǎn)生的交流磁通正向耦合——用于繞組電壓相對方向固定的磁件集成。以減小電流脈動。交流磁通正向耦合表明繞組匝鏈的交變磁通由多個繞組紋波電流共同產(chǎn)生、正向疊加。由于每個繞組匝鏈的交變磁通在集成前后不變,所以這種集成方式可減小單個繞組產(chǎn)生的交變磁通,即減小繞組電流脈動。如多路輸出電源中的耦合電感、FAC變換器中的電感和變壓器等。5.3磁心或鐵心的優(yōu)化