磁集成技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用和研究

許濤，華雷

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

磁性元件是開關(guān)電源的核心部件，主要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換、濾波和電絕緣等功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磁性元件的重量在變換器中占比為30%～40%，體積占比約為20%～30%。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源電路具備微型化、高頻率、效率高、可靠性高和高功率密度的特性。隨著開關(guān)頻率的提高，有助于減小磁性元件的體積和重量，但效果不明顯，隨著頻率的增加，磁芯的損耗會(huì)大大增加，磁芯的使用率會(huì)減少，這限定了磁性元件規(guī)格和凈重的進(jìn)一步減少。因而，為了更好地完成配電變壓器，尤其是大電流量模塊化電源的效率高、高功率密度、小規(guī)格和凈重的規(guī)范化，科學(xué)研究工作人員明確提出了磁集成技術(shù)。20世紀(jì)90年代至今，伴隨著平面圖磁性元件運(yùn)用的普及化和磁性元件生產(chǎn)制造自動(dòng)化技術(shù)水平的持續(xù)提升，磁集成技術(shù)也獲得了迅速發(fā)展。

磁集成技術(shù)便是在SPWM中盤繞2個(gè)或2個(gè)之上的分立磁元件(DM)，如儲(chǔ)能技術(shù)電感器、輸出功率SPWM等，成為集成磁件（Integrated Magnetics，IM）。磁集成技術(shù)采用一體化結(jié)構(gòu)，在一對(duì)磁芯上.減少磁性元件的耗損、容積和凈重，提升過慮實(shí)際效果具備關(guān)鍵實(shí)際意義。

1 磁集成技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)90年代之后，伴隨著平面圖磁性零件運(yùn)用的普及化和發(fā)展，磁性零件生產(chǎn)制造自動(dòng)化技術(shù)水平的提升，IM的運(yùn)用越來越相對(duì)性非常容易。與此同時(shí)，伴隨著開關(guān)電源電路的持續(xù)發(fā)展，對(duì)其規(guī)格、凈重和高效率明確提出了規(guī)定，尤其是微控制器和集成IC的迅速發(fā)展趨勢(shì)對(duì)新一代高功率開關(guān)電源明確提出了更高的挑戰(zhàn)，促進(jìn)了磁集成技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展趨勢(shì)[1]。

磁集成技術(shù)于20世紀(jì)90年代引入我國。1990年版《開關(guān)穩(wěn)壓電源》引入Cuk變電器時(shí)，曾簡(jiǎn)略談及磁集成技術(shù)的功效。接著，清華的專家教授宣布詳細(xì)介紹了互調(diào)的定義，并詳解了帶磁元器件雙偏位的建模及其一部分互調(diào)變電器的原理。磁集成技術(shù)的實(shí)際科學(xué)研究直至90年代末才宣布執(zhí)行，并獲得了一些成效。

磁集成技術(shù)主要用于電力電子中的開關(guān)電源，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是可以減少開關(guān)電源中的器件數(shù)量。磁集成技術(shù)關(guān)鍵用以電力電子技術(shù)中的開關(guān)電源，具備下列優(yōu)勢(shì):一，能夠降低開關(guān)電源中的元器件總數(shù)；二，可以降低磁芯和繞組的損耗，提高開關(guān)電源的效率和功率密度；三，可以有效減小磁芯的體積和重量；四，能夠減少I/O電流量諧波失真，提升開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性，如瞬態(tài)響應(yīng)速度[2]。

2 磁件等效電路模型

磁性元件（電感和變壓器）定性分析的閉路計(jì)算方法主要是分步轉(zhuǎn)換法，即根據(jù)變壓器等效電路的物理模型進(jìn)行分步轉(zhuǎn)換，然后推導(dǎo)出磁性部分的電源電路的物理模型。全部模型全過程能夠分成四個(gè)流程:最先，依據(jù)閉合電路的歐姆定律，繪制帶磁元器件的閉合電路；隨后利用對(duì)偶原理獲得等效電路成對(duì)原理圖；隨后較為等效電路匹配圖的比率，獲得電流量與總流量的關(guān)聯(lián)圖。最終，利用電流的磁效應(yīng)電流磁效應(yīng)的基本定律和變電器的特點(diǎn)電阻器對(duì)關(guān)聯(lián)性開展轉(zhuǎn)換，從而對(duì)電流量與bt鏈接的關(guān)系圖開展轉(zhuǎn)換，獲得串聯(lián)電路。電平轉(zhuǎn)換的目的是將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中包含的i與電源電路的電流i、磁通量Φ、電源電路的工作電壓v(v=N?)連接起來，使之等價(jià)電路到電源電路的改造。還可以根據(jù)電感L=ψ/i的定義、融合關(guān)系和變壓器特性阻抗轉(zhuǎn)換關(guān)系、電路串聯(lián)和并聯(lián)關(guān)系等計(jì)算各端口的等效閉合電路。這兩種方法本質(zhì)上是一樣的[3]。

磁性部分閉合電路的物理模型與普通電源電路相同，有利于電源電路的即時(shí)比較和分析。它被廣泛使用，但整個(gè)計(jì)算過程很復(fù)雜。因此，將磁性部分分成磁性圓柱體以獲得磁性部分。閉路感應(yīng)變壓器的通用物理模型解決了這個(gè)問題。但是，磁芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電感-變壓器閉合電路是非常困難的，并且電感-變壓器閉合電路不能立即反應(yīng)磁性元件等效電路的主要參數(shù)。因此，David C.Hamill在1993年明確提出了另一種磁閉合電路物理模型：轉(zhuǎn)子-電容器等效電路物理模型。造型簡(jiǎn)單直接，又體現(xiàn)了電源電路和磁性元件等效電路的特點(diǎn)。用電流來操縱電壓源而不是旋轉(zhuǎn)器，然后就可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)了。另外，物理模型中磁芯的主要參數(shù)相對(duì)獨(dú)立，可以方便地加入磁芯的飽和狀態(tài)和磁滯，使用電感和變壓器等效電路的物理模型必須轉(zhuǎn)換為電感。因此，轉(zhuǎn)子-電容器實(shí)體模型不僅可以通過仿真獲得主要的電、磁參數(shù)，而且有利于磁性部件的精確計(jì)算和仿真，也推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的磁芯模型仿真庫的創(chuàng)建，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。磁性零件在仿真分析方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，引起了大家對(duì)科學(xué)研究的興趣。

3 磁元件集成通用方法

分離的磁性元件組合后，它們之間沒有耦合效應(yīng)，這就是分離的整合。解耦集成是一種通用的磁集成方式。現(xiàn)階段有兩種解耦整合方式。通過給出一個(gè)低磁電等效電路來完成去耦是最基本的去耦方法。如圖1所示，N1和N2為感應(yīng)線圈，分別繞在磁芯兩側(cè)。它們之間基本上沒有耦合。磁芯的中心柱沒有磁密度，其磁阻低于有磁密度的側(cè)柱。因此，由此產(chǎn)生的磁通量通過中心柱產(chǎn)生一個(gè)控制回路，這種方法可以增強(qiáng)許多磁性成分的分離和整合。由于需要單個(gè)低頻公共磁路，N個(gè)磁性元件的集成至少需要N個(gè)加上一個(gè)磁環(huán)。

圖1 解耦集成方法1

另一種方法是根據(jù)解耦效應(yīng)完成解耦集成。如兩個(gè)電感器的解耦集成，如圖2所示。電感2繞在磁芯的中心柱上，線圈匝數(shù)為N2，磁通被兩側(cè)的柱子閉合。為了更好地補(bǔ)償電感1產(chǎn)生的磁通，電感1分解成N11和N12繞組繞側(cè)軸串聯(lián)，使電感2產(chǎn)生的磁通在左排之間產(chǎn)生，磁通方向磁芯與N11相同。反之，右排方向與N12相同，有效的磁阻設(shè)計(jì)可以平衡磁通耦合和完全分離的效果。

圖2 解耦集成方法2

4 開關(guān)電源的磁集成技術(shù)總結(jié)

多樣化是磁集成技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)，反映在:①構(gòu)造的多樣化——切分或組成。②磁通量高效率法多元化——磁通量能夠耦合還可以解耦，能夠累積還可以降低。③磁相對(duì)密度的多元化——IM的磁相對(duì)密度是由好多個(gè)不等式判別式獲得的，自身便是多解難題。較為各種各樣計(jì)劃方案的關(guān)鍵是下列好多個(gè)層面：寄生參數(shù)（關(guān)鍵是走電感）、電流量諧波失真分量、磁通量、可塑性和擴(kuò)展性。

考慮到IM中磁通效率的相關(guān)性，磁性元件集成的關(guān)鍵有四種：①直流電磁通量和交流磁通量累積，可以合理減小磁性元件的尺寸。②重疊平行磁極中的交替磁通可能會(huì)相互抵消。用于電感和電感在繞組中的相位角積分，以及電感和變壓器的積分交變磁通的相對(duì)位置和固定位置.可降低磁芯共用磁柱的交變磁場(chǎng)密度，相應(yīng)可降低鐵芯損耗。③直流電磁通量和直流電磁通量相互減小，這種集成方法有助于減小磁性部件的尺寸。可用于一般電感和電感集成。④耦合線圈感應(yīng)交變正向磁通可以減少電流紋波分量[4]。

磁芯原材料限定了磁集成技術(shù)的運(yùn)用。磁芯原材料的共振頻率特點(diǎn)決策了其可靠性設(shè)計(jì)的頻率范疇。因此磁集成只適用工作中在頻率范疇內(nèi)的磁元件，不適感用以工作中在高頻率的磁元件，例如工作中在低頻的鍵入濾波電感和工作中在高頻率的變電器。磁芯是磁集成技術(shù)優(yōu)勢(shì)的具體限定要素。現(xiàn)階段最具體的運(yùn)用是2個(gè)帶磁元件的集成。科學(xué)研究結(jié)果顯示，集成好幾個(gè)帶磁元件在規(guī)格和耗損上的優(yōu)勢(shì)更為顯著，必須專業(yè)設(shè)計(jì)方案的磁芯。目前的對(duì)稱性磁芯限定了磁集成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。與目前對(duì)稱性磁芯的磁集成一般遭遇磁芯中磁通量遍布不勻稱的難題。僅有除掉不必要的磁芯，IM才可以充分運(yùn)用規(guī)格和損耗上的優(yōu)勢(shì)。磁集成的提升不但包含提升電磁線圈和磁密構(gòu)造，還包含優(yōu)化鐵芯[5]。

5 結(jié)語

隨著磁性元件和器件的不斷發(fā)展，微型和高頻磁性技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。作為一種應(yīng)用技術(shù)，集成磁技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用，可以大大提高功率密度，減小變壓器的體積和重量。磁集成技術(shù)將是未來磁性元件的發(fā)展方向，并為電力電子行業(yè)的發(fā)展帶來新的創(chuàng)新和突破。