一种新型矩阵式多自由度耦合电感的构造方法与流程

本发明涉及多相交错型变换器中使用的耦合电感技术领域，特别是涉及阵列式平面集成磁件领域，具体说是一种适用于多相交错耦合变换器的新型矩阵式多自由度耦合电感的构造方法。

背景技术：

在多相电压调理模块(vrm)中采用基于耦合磁件的交错并联磁集成技术可以显著改善其稳态输入输出纹波特性，并提高变流器动态特性和转换效率，以及更容易获得高功率密度而备受关注。

集成电感的优化设计是影响vrm的稳态及暂态性能的重要因素，合理的耦合度可以提高vrm的输出动态响应，并能够降低每一通道的稳态纹波。

目前研究较多的交错并联变流器耦合磁件主要采用平面整体磁芯结构，由于多相电感集成时磁路较为复杂，整体磁芯结构一般要采用现有结构磁芯构造特殊结构磁芯或采用开模设计特殊结构的磁芯。现有文献表明，采用现有的磁芯构造整体磁芯结构的多绕组集成电感时，通常要增加磁件的高度、体积和数量，不利于实现高功率密度；而采用特殊结构的磁芯又需要开模设计，增加了设计成本；同时，整体磁芯结构集成电感的绕组与磁路过于集中，易形成局部热点过高，导致磁件损耗增加。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的以上问题，本发明采用平面阵列化磁集成技术，特别提出了一种应用于多相交错耦合型双向直流变流器的新颖矩阵式多自由度组合耦合电感的构造方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种新型矩阵式多自由度组合耦合电感的构造方法，其中耦合电感包括若干个矩阵化排列的基本耦合电感单元，耦合电感单元概念具有多自由度组合性、通用性和可拓展性，耦合电感单元包括自感单元电感和互感单元电感，自感单元电感采用单副磁芯上正向集成两幅绕组而成；互感单元电感采用单副磁芯上反向耦合两个绕组而成，耦合电感单元通过阵列化的多自由度排列组合和电路连接实现多个绕组间磁集成，新型矩阵式多自由度耦合电感的构造方法是由如下步骤实现的：

(1)首先建立n相阵列式耦合电感的单元位置拓扑，所述的单元位置拓扑包括上、下三角元素矩阵两种基本形式，将所述上、下三角元素矩阵结合，又可以构成包括若干个耦合电感单元的满元素单元位置的n相耦合电感矩阵式拓扑；

(2)建立与满元素单元位置矩阵拓扑对应的n相耦合电感结构，将满元素位置的n相矩阵式耦合电感的每相电感的基本单元耦合磁芯绕组首尾次序连接，各基本耦合电感单元的磁芯位置可根据需要自由调整，即通过单元耦合电感小磁芯的多自由度组合，实现多尺度耦合磁件组合和耦合电感相数的拓展；根据n相耦合电感的实际应用场合和功率需求等条件，中、小功率等级通常采用上、下三角元素结构拓扑构造耦合磁件，而针对大功率应用场合可采用满元素位置的n相矩阵式耦合电感；通过将每相电感的基本单元耦合磁芯绕组首尾次序连接，并根据需要实时调整各基本耦合电感单元的磁芯位置，将单元耦合电感小磁芯的多自由度组合，可构造出n相耦合电感的n×2n结构矩阵拓扑、n×n结构矩阵拓扑以及2n结构矩阵拓扑等；

(3)分析相电感在相同磁阻不同匝数时耦合电感的耦合系数kij，得到相同磁阻不同匝数时耦合电感的耦合系数kij随匝比α和耦合相数n变化的关系曲线图；

(4)分析相电感在不同磁阻且不同匝数时耦合电感的耦合系数kij，得到不同磁阻和匝数时耦合电感的耦合系数kij与匝比α和磁阻比β的关系曲线图；

(5)通过以上分析设计自感单元电感lii和互感单元电感mij，获得互感单元电感mij的单元匝数nm，并计算得到单元磁路磁阻，给定一个单元匝比α，结合耦合度kop，利用不同磁阻和匝数时耦合电感的耦合系数与匝比和磁阻比的关系曲线，确定磁阻比β，再利用磁阻比β计算自感单元电感所需磁阻，从而获得自感单元电感lii的单元匝数nl；

(6)利用自感单元电感的单元匝数nl来校验是否满足磁路不饱和条件，若不满足，则重新给定单元匝比α进行计算；

(7)通过以上分析，设计构造一个四相全集成矩阵式耦合电感和一个六相耦合电感，搭建vrm系统测试平台验证所述新型矩阵式多自由度耦合电感的构造方法的正确性。

进一步的，所述相电感在相同磁阻不同匝数时耦合电感的耦合系数的设计范围是，两相集成时最大耦合度为1，三相集成时最大耦合度为0.5，四相集成时最大耦合度为0.33，六相集成时最大耦合度为0.2，亦即n相绕组集成时最大耦合系数为1/n-1；

进一步的，所述磁路不饱和条件的验证步骤为：第一步，利用最佳耦合度求得稳态电感值，第二步，根据稳态电感值求得稳态相电感电流纹波，最后计算出单元互感磁芯的磁感应强度摆动值，若磁感应强度摆动值较大，则需要开气隙以避免单元互感磁芯饱和。

进一步的，所述新型矩阵式多自由度耦合电感的矩阵拓扑结构包括上、下三角元素结构拓扑、满元素位置n×n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑和满元素位置n×2n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑。

进一步的，所述上、下三角元素结构拓扑由n(n+1)/2个单元结构小磁芯构成，所述满元素位置n×n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑由n²个单元结构小磁芯构成，所述满元素位置n×2n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑由2n²个单元结构小磁芯或n²个单元结构小磁芯构成，所述n相耦合电感采用2n结构矩阵拓扑由2n个单元结构耦合的小磁芯单元构成；其中n表示电感耦合的相数，也对应着交错并联变换器的工作相数，每个耦合电感单元的绕组匝数根据所需电感量并通过计算获得，耦合电感单元分为自感单元和互感单元，其中自感单元磁芯包括漏感调节磁芯，以调节各相之间耦合系数，实现多相耦合电感的对称化耦合和机械平衡。

进一步的，所述单元结构小磁芯包括环形磁芯与平面ui、ei等矩形磁芯在内的各种磁芯和不同磁阻规格的磁芯，以实现通用性、替换性和易设计，每个单元磁芯内对称化绕制两个绕组，所述两个绕组根据矩阵位置特征和自感单元与互感单元的区别分别采用不同耦合方式，所述自感单元的小磁芯的两个绕组采用正向绕制，所述互感单元的小磁芯的两个绕组采用反向绕制，所述小磁芯的绕组为包括pcb绕组在内的各种绕组。

本发明公开了一种新型矩阵式多自由度组合耦合电感的构造方法，具有以下有益效果：

(1)提出了基于基本磁芯结构的耦合电感单元拓展概念，通过单元耦合电感多自由度矩阵化组合，衍生出可实现任意多相电感集成的矩阵化拓扑结构，该矩阵式耦合磁件具有结构简单、拓扑可变化，且耦合电感单元磁芯结构不受限制，因此可实现多尺度自由组合和通用拓展型，并推广至任意n相耦合电感的设计。

(2)所分析的n相vrm集成电感耦合度设计准则具有通用性。

(3)分析了相同磁阻不同匝数情况下以及不同磁阻且不同匝数情况下耦合系数设计方法，给出了该矩阵式耦合电感通用设计准则。

(4)本发明中矩阵式耦合磁件通过调节单元耦合磁芯参数及气隙等，即可实现耦合度变化，满足了n相vrm耦合电感不同耦合度设计范围和要求，实现了多相vrm耦合电感对称化设计，拓展了多相vrm非对称耦合电感对称化研究的新理论和新思路。

(5)本发明中矩阵式耦合磁件的单元互感磁芯上的两两耦合绕组采用反向设计方式，有效消除了直流偏磁。

附图说明

图1为应用集成电感的n相交错并联vrm电路图；

图2为n相矩阵式耦合电感单元位置拓扑的基本形式图，图2a为上三角元素矩阵位置拓扑图，图2b为下三角元素矩阵位置拓扑图，图2c为满元素矩阵单元位置拓扑图；

图3为采用上三角元素结构的n相矩阵式耦合磁件拓扑结构示意图；

图4为采用下三角元素结构的n相矩阵式耦合磁件拓扑结构示意图；

图5为采用满元素位置结构的n相矩阵式耦合磁件拓扑结构示意图；

图6为n相耦合电感ui型磁芯n×2n结构矩阵拓扑图；

图7为n相耦合电感ei磁芯n×n结构矩阵拓扑图；

图8为3相和4相耦合电感环形磁芯2n结构的矩阵拓扑图，其中图8a为3相耦合电感环形磁芯2n结构的矩阵拓扑图，图8b为4相耦合电感环形磁芯2n结构的矩阵拓扑图；

图9为相同磁阻不同匝数时kij随α和n的变化曲线图(采用上、下三角元素结构)；

图10为相同磁阻不同匝数时kij随α和n的变化曲线图(采用满元素矩阵结构、ui磁芯n×2n结构、ei磁芯n×n结构)；

图11为不同磁阻和不同匝数时集成电感的耦合系数kij与α和β的关系曲线图(采用上、下三角元素结构)；

图12为不同磁阻和不同匝数时集成电感的耦合系数kij与α和β的关系曲线图(采用满元素矩阵结构、ui磁芯n×2n结构、ei磁芯n×n结构)；

图13为四相全集成耦合电感设计图；

图14为阵列化磁集成四相耦合电感的结构及连接示意图；

图15为四相矩阵式耦合电感样机图；

图16为基于耦合电感样机的vrm实验平台图；

图17为采用矩阵式耦合电感的vrm全占空比范围稳态电流波形图，其中图17a为占空比d＝0.125时相电感电流纹波波形图，图17b为占空比d＝0.125时总输出电流纹波波形图，图17c为占空比d＝0.4时相电感电流纹波波形图，图17d为占空比d＝0.4时总输出电流纹波波形图，图17e为占空比d＝0.6时相电感电流纹波波形图，图17f为占空比d＝0.6时总输出电流纹波波形图，图17g为占空比d＝0.875时相电感电流纹波波形图，图17h为占空比d＝0.875时总输出电流纹波波形图；

图18为采用矩阵式耦合电感的vrm暂态试验波形图，图18a为vrm输出电流动态实验波形图，图18b负载上调时输出电压波形图，图18c负载下调时输出电压波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种新型矩阵式多自由度组合耦合电感的构造方法，其中耦合电感包括若干个矩阵化排列的基本耦合电感单元，耦合电感单元概念具有多自由度组合性、通用性和可拓展性，耦合电感单元包括自感单元电感和互感单元电感，自感单元电感采用单副磁芯上正向集成两幅绕组而成；互感单元电感采用单副磁芯上反向耦合两个绕组而成，耦合电感单元通过阵列化的多自由度排列组合和电路连接实现多个绕组间磁集成，应用于图1所示的n相交错耦合的双向直流变换器的新型矩阵式多自由度组合的耦合电感的构造方法是由如下步骤实现的：

(1)建立如图2所示n相阵列式耦合电感的单元位置拓扑，所述的单元位置拓扑包括上、下三角元素矩阵两种基本形式，将所述上、下三角元素矩阵结合，又可以构成如图2(c)所示的包括若干个耦合电感单元的满元素单元位置的n相耦合电感矩阵式拓扑；根据图3-图7所示的n相矩阵式耦合磁件拓扑结构示意图，以及矩阵式耦合磁件单元位置拓扑的概念，定义矩阵拓扑的每个单元位置元素都是一个基本耦合电感单元，该基本耦合电感拓展单元作为整个耦合磁件的自感单元和互感单元，其中作为自感单元的基本耦合电感单元由一副小磁芯和两幅正向耦合绕制的绕组构成，作为互感单元的基本耦合电感单元由一副小磁芯和两幅反向耦合绕制的绕组构成，以通过调节基本耦合电感单元的两个自绕组的耦合系数，实现各相耦合电感间耦合度的改变。

(2)建立与满元素单元位置矩阵拓扑对应的n相耦合电感结构，将满元素位置的n相矩阵式耦合电感的每相电感的基本单元耦合磁芯绕组首尾次序连接，各基本耦合电感单元的磁芯位置可根据需要自由调整，即通过单元耦合电感小磁芯的多自由度组合，实现多尺度耦合磁件组合和耦合电感相数的拓展；根据n相耦合电感的实际应用场合和功率需求等条件，中、小功率等级通常采用如图3和图4所示上、下三角元素结构拓扑构造耦合磁件，而针对大功率应用场合可采用可采用图5至图8所示的满元素位置的n相矩阵式耦合电感；通过将每相电感的基本单元耦合磁芯绕组首尾次序连接，并根据需要实时调整各基本耦合电感单元的磁芯位置，将单元耦合电感小磁芯的多自由度组合，可构造出如图6所示的n相耦合电感的n×2n结构矩阵拓扑、如图7所示的n×n结构矩阵拓扑以及如图8所示的2n结构矩阵拓扑等；

(3)分析相电感在相同磁阻不同匝数时耦合电感的耦合系数kij，得到如图9所示的相同磁阻不同匝数时矩阵式耦合电感kij随α和n的变化曲线(采用上、下三角元素结构)，以及图10所示的相同磁阻不同匝数时矩阵式耦合电感kij随α和n的变化曲线(采用满元素矩阵结构、ui磁芯n×2n结构、ei磁芯n×n结构)；

(4)分析相电感在不同磁阻且不同匝数时耦合电感的耦合系数kij，得到如图11所示的不同磁阻和不同匝数时集成电感的耦合系数kij与α和β的关系曲线(采用上、下三角元素结构)，以及图12为不同磁阻和不同匝数时集成电感的耦合系数kij与α和β的关系曲线(采用满元素矩阵结构、ui磁芯n×2n结构、ei磁芯n×n结构)；

(5)通过以上分析设计自感单元电感lii和互感单元电感mij，获得互感单元电感mij的单元匝数nm，并计算得到单元磁路磁阻，再给定一个单元匝比α，结合耦合度kop，利用如图11和图12所示的不同磁阻和不同匝数时耦合电感的耦合系数与匝比和磁阻比的关系曲线，确定磁阻比β，再利用磁阻比β计算自感单元电感所需磁阻，从而获得自感单元电感lii的单元匝数nl；

(6)利用自感单元电感的单元匝数nl来校验是否满足磁路不饱和条件，若不满足，则重新给定单元匝比α进行计算；

(7)通过以上分析，根据图13、图14所示的阵列化磁集成四相耦合电感的结构图及连接示意图；设计构造一个如图15所示四相全集成耦合电感样机，并搭建如图16所示vrm系统测试平台，验证所述新型矩阵式多自由度耦合电感的构造方法的正确性，vrm稳态及暂态试验波形如图17和图18所示。

作为优选的实施方式，所述相电感在相同磁阻不同匝数时耦合电感的耦合系数的设计范围是，两相集成时最大耦合度为1，三相集成时最大耦合度为0.5，四相集成时最大耦合度为0.33，六相集成时最大耦合度为0.2，亦即n相绕组集成时最大耦合系数为1/n-1；

作为优选的实施方式，所述磁路不饱和条件的验证步骤为：第一步，利用最佳耦合度求得稳态电感值，第二步，根据稳态电感值求得稳态相电感电流纹波，最后计算出单元互感磁芯的磁感应强度摆动值，若磁感应强度摆动值较大，则需要开气隙以避免单元互感磁芯饱和。

作为优选的实施方式，所述新型矩阵式多自由度耦合电感的矩阵拓扑结构包括上、下三角元素结构拓扑、满元素位置n×n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑和满元素位置n×2n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑。

作为优选的实施方式，由图3和图4可知，所述上、下三角元素结构拓扑由n(n+1)/2个单元结构小磁芯构成，由图5和图7所示可知，所述满元素位置n×n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑由n²个单元结构小磁芯构成，由图6和图7所示可知，所述满元素位置n×2n结构的n相耦合电感的矩阵拓扑由2n²个单元结构小磁芯或n²个单元结构小磁芯构成，由图8所示可知，采用2n结构矩阵拓扑构成的n相矩阵式耦合电感由2n个单元结构耦合的小磁芯单元构成；其中n表示电感耦合的相数，也对应着交错并联变换器的工作相数，每个耦合电感单元的绕组匝数根据所需电感量并通过计算获得，耦合电感单元分为自感单元和互感单元，其中自感单元磁芯包括漏感调节磁芯，以调节各相之间耦合系数，实现多相耦合电感的对称化耦合和机械平衡。

作为优选的实施方式，所述单元结构小磁芯包括环形磁芯与平面ui、ei等矩形磁芯在内的各种磁芯和不同磁阻规格的磁芯，以实现通用性、替换性和易设计，每个单元磁芯内对称化绕制两个绕组，所述两个绕组根据矩阵位置特征和自感单元与互感单元的区别分别采用不同耦合方式，所述自感单元的小磁芯的两个绕组采用正向绕制，所述互感单元的小磁芯的两个绕组采用反向绕制，所述小磁芯的绕组为包括pcb绕组在内的各种绕组。

将图15所示矩阵式四相耦合电感应用到如图16所示的vrm系统测试平台，并通过数字控制改变其占空比，测试其全占空比范围内稳态实验波形如图17所示，暂态试验波形如图18所示。分析实验结果可知，采用本发明提出的新型矩阵式多自由度耦合电感的构造方法设计的耦合电感，在全占空比工作模式下，其vrm的稳态性能及暂态性能良好，具备极大的实用性及性能优势。