一种分立磁性元件耦合电路及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种分立磁性元件耦合电路及其控制方法，该电路包括相互独立的第一磁性元件以及第二磁性元件；第一磁性元件上以及第二磁性元件上分别绕制有外加绕组，外加绕组通过一连接阻抗形成回路，从而建立第一磁性元件与第二磁性元件的耦合关系。该方法包括：通过调节连接阻抗的阻抗值或/和通过调节所述第一磁性元件外加绕组的电感量与所述第一磁性元件的互感量、调节所述第二磁性元件外加绕组的电感量与所述二磁性元件的互感量，从而调整第一磁性元件与第二磁性元件的耦合关系。本发明所提出的一种分立磁性元件耦合电路及其控制方法不仅实现了两个或多个独立磁性元件耦合控制，同时还具有结构简单、控制难度低、灵活性高等特点。
【专利说明】
-种分立磁性元件輔合电路及其控制方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种分立磁性元件禪合电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 传统在开关电源的应用中，磁禪合技术可W用于不同的磁性元件中，用W改善开 关电源的损耗特性、电磁兼容特性及功率密度。目前的磁禪合技术均是在同一磁忍中采用 多绕组结构，通过磁路控制来实现绕组间的禪合。对于两个独立磁性元件或多个独立磁性 元件的禪合目前没有相应的方法。
[0003] 现有控制两个元件近场禪合的方法有如下几种：
[0004] 1、传统意义上的互感
[0005] 如图1所示，当一线圈中的电流发生变化时，在临近的另一线圈中产生感应电动 势，叫做互感现象。互感现象是一种常见的电磁感应现象，不仅发生于绕在同一铁忍上的两 个线圈之间，而且也可W发生于任何两个相互靠近的电路之间。通过改变两个电感的相互 位置与距离，可W定性地在一定程度上控制禪合系数的大小。
[0006] 2、一种无气隙可变禪合电感器
[0007] 如图2所示，利用互感的形成原理，将多个线圈绕制在磁路相通的铁忍上，通过控 制每个线圈的应数来控制线圈之间互感的大小。由公式可知，改变线圈应数即可改变线圈 链过的总磁通大小，进而改变线圈之间的互感。如图2所示，控制线圈31、线圈32W及线圈33 的应数邮可巧巧巧感大小。
[000引
[0009] 3、磁集成技术
[0010] 磁集成技术是将变换器中的两个或多个分立器件，如电感、变压器等，绕制在一副 磁忍上，从结构上集中在一起，能够减小磁性器件的体积、重量，有时还能减小电流纹波、降 低磁件损耗、改善电源动态性能，对提高电源的性能及功率密度有重要意义。一个典型的磁 集成应用如图3所示：
[0011] 采用EI型磁忍结构，将线圈绕制在=个磁柱上，若应用于集成变压器和电感器时， 电感器绕组产生的磁通会经过变压器的磁路;若应用于集成共模电感和差模电感时，差模 电感绕组产生的磁通会经过共模电感部分。两种情况下均使得磁忍得到充分利用，也间接 地形成了变压器与电感器、共模电感与差模电感之间的禪合。
[0012] W上所述均是在同一磁忍中通过控制气隙或磁路来实现两个磁性元件的禪合控 审Ij，该方法依赖于磁路的设计，控制难度高，制造成本高。且均无对两个独立磁性元件禪合 或多个独立磁性元件的控制方式。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于提供一种分立磁性元件禪合电路及其控制方法，W克服现有技 术中存在的缺陷。
[0014] 为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种分立磁性元件禪合电路，包括相互独 立的第一磁性元件W及第二磁性元件;所述第一磁性元件上W及所述第二磁性元件上分别 绕制有外加绕组，所述外加绕组通过一连接阻抗形成回路，从而建立所述第一磁性元件与 所述第二磁性元件的禪合关系。
[0015] 进一步的，提供一种分立磁性元件禪合电路的控制方法，通过调节所述连接阻抗 的阻抗值，从而调整所述第一磁性元件与所述第二磁性元件的禪合关系。
[0016] 在本发明一实施例中，所述连接阻抗为电感和电容的组合，电感和电阻的组合，电 容和电阻的组合或电感、电容和电阻的组合。
[0017] 在本发明一实施例中，通过对多个相互独立的磁性元件中两两磁性元件之间的禪 合与控制，实现多个磁性元件的禪合与控制。
[0018] 进一步的，提供一种分立磁性元件禪合电路的控制方法，通过调节所述第一磁性 元件外加绕组的电感量与所述第一磁性元件的互感量、调节所述第二磁性元件外加绕组的 电感量与所述二磁性元件的互感量，从而调整所述第一磁性元件与第二磁性元件的禪合关 系。
[0019] 在本发明一实施例中，所述连接阻抗为电感和电容的组合，电感和电阻的组合，电 容和电阻的组合或电感、电容和电阻的组合。
[0020] 在本发明一实施例中，通过对多个相互独立的磁性元件中两两磁性元件之间的禪 合与控制，实现多个磁性元件的禪合与控制。
[0021] 进一步的，提供一种分立磁性元件禪合电路的控制方法，通过调节所述连接阻抗 的阻抗值、调节所述第一磁性元件外加绕组的电感量与所述第一磁性元件的互感量W及调 节所述第二磁性元件外加绕组的电感量与所述二磁性元件的互感量，从而调整所述第一磁 性元件与第二磁性元件的禪合关系。
[0022] 在本发明一实施例中，，所述连接阻抗为电感和电容的组合，电感和电阻的组合， 电容和电阻的组合或电感、电容和电阻的组合。
[0023] 在本发明一实施例中，通过对多个相互独立的磁性元件中两两磁性元件之间的禪 合与控制，实现多个磁性元件的禪合与控制。
[0024] 相较于现有技术，本发明具有W下有益效果：
[0025] 1.可实现两个分立磁性元件的禪合和控制。
[0026] 2.易于调节，可W实现对分立元件禪合的精确控制。
[0027] 3.可W在远处实现分立磁件的禪合与控制，增添了产品设计与实现的便捷性与可 能性。
[0028] 4.不需要额外增加磁忍或设计额外磁路，大大降低了磁性元件的设计难度，对产 品的设计起到显著的积极作用。
[0029] 5.可W将不同性质的磁性元件进行禪合，极大地拓宽了电子产品的设计思路。
【附图说明】
[0030] 图1为传统互感形成示意图。
[0031 ]图2为无气隙可变禪合电感器原理图。
[0032] 图3为磁集成机构。
[0033] 图4为本发明一实施例中两电感禪合图。
[0034] 图5为本发明一实施例中外加绕组控制两电感。
[0035] 图6为本发明一实施例中外加绕组结构图
[0036] 图7为本发明一实施例中外加绕组一端与原电感相连的变换图。
[0037] 图8为本发明一实施例中外加绕组解禪示意图。
[003引图9为本发明一实施例中当Zi2 = Lo时化2随Lo变化曲线。
[0039] 图10为本发明一实施例中当Zi2 = R时Leq, Req随R变化曲线。
[0040] 图11为本发明一实施例中当Zl2 = R时Leq，Req随f变化曲线。
[004。 图12为本发明一实施例中当Zi2 = C时Mi2随C变化曲线。
[004^ 图13为本发明一实施例中当Zi2 = C时Mi2随f变化曲线。
[0043] 图14为本发明一实施例中两电感间采用第一禪合方式的示意图。
[0044] 图15为本发明一实施例中两电感间采用第二禪合方式的示意图。
[0045] 图16为本发明一实施例中两电感间采用第=禪合方式的示意图。
[0046] 图17为本发明一实施例中两电感间采用第四禪合方式的示意图。
[0047] 图18为本发明一实施例中电感与共模电感采用第一禪合方式的示意图。
[0048] 图19为本发明一实施例中电感与共模电感采用第二禪合方式的示意图。
[0049] 图20为本发明一实施例中电感与共模电感采用第=禪合方式的示意图。
[0050] 图21为本发明一实施例中电感与共模电感采用第四禪合方式的示意图。
[0051] 图22为本发明一实施例中两共模电感采用第一禪合方式的示意图。
[0052] 图23为本发明一实施例中两共模电感采用第二禪合方式的示意图。
[0053] 图24为本发明一实施例中两共模电感采用第=禪合方式的示意图。
[0054] 图25为本发明一实施例中两共模电感采用第四禪合方式的示意图。
[0055] 图26为本发明一实施例中两共模电感采用第五禪合方式的示意图。
[0056] 图27为本发明一实施例中两共模电感采用第六禪合方式的示意图。
[0057] 图28为本发明一实施例中电感与变压器采用第一禪合方式的示意图。
[0058] 图29为本发明一实施例中电感与变压器采用第二禪合方式的示意图。
[0059] 图30为本发明一实施例中电感与变压器采用第=禪合方式的示意图。
[0060] 图31为本发明一实施例中电感与变压器采用第四禪合方式的示意图。
[0061] 图32为本发明一实施例中电感与变压器采用第五禪合方式的示意图。
[0062] 图33为本发明一实施例中电感与变压器采用第六禪合方式的示意图。
[0063] 图34为本发明一实施例中电感与变压器采用第屯禪合方式的示意图。
[0064] 图35为本发明一实施例中电感与变压器采用第八禪合方式的示意图。
[0065] 图36为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第一禪合方式的示意图。
[0066] 图37为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第二禪合方式的示意图。
[0067] 图38为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第=禪合方式的示意图。
[0068] 图39为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第四禪合方式的示意图。
[0069] 图40为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第五禪合方式的示意图。
[0070] 图41为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第六禪合方式的示意图。
[0071] 图42为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第屯禪合方式的示意图。
[0072] 图43为本发明一实施例中共模电感与变压器采用第八禪合方式的示意图。
[0073] 图44为本发明一实施例中两变压器间采用第一禪合方式的示意图。
[0074] 图45为本发明一实施例中两变压器间采用第二禪合方式的示意图。
[0075] 图46为本发明一实施例中两变压器间采用第=禪合方式的示意图。
[0076] 图47为本发明一实施例中两变压器间采用第四禪合方式的示意图。
[0077] 图48为本发明一实施例中两变压器间采用第五禪合方式的示意图。
[0078] 图49为本发明一实施例中两变压器间采用第六禪合方式的示意图。
[0079] 图50为本发明一实施例中两变压器间采用第屯禪合方式的示意图。
[0080] 图51为本发明一实施例中两变压器间采用第八禪合方式的示意图。
[0081] 图52为本发明一实施例中两变压器间采用第九禪合方式的示意图。
[0082] 图53为本发明一实施例中两变压器间采用第十禪合方式的示意图。
[0083] 图54为本发明一实施例中两变压器间采用第十一禪合方式的示意图。
[0084] 图55为本发明一实施例中两变压器间采用第十二禪合方式的示意图。
【具体实施方式】
[0085] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0086] 本发明提出了一种分立磁性元件禪合电路及其控制方法。该分立磁性元件禪合电 路包括相互独立的第一磁性元件W及第二磁性元件;第一磁性元件上W及第二磁性元件上 分别绕制有外加绕组，且外加绕组通过一连接阻抗形成回路，从而建立所述第一磁性元件 与所述第二磁性元件的禪合关系。
[0087] 进一步的，通过如下实施例说明本发明提出的分立磁性元件禪合控制方法：
[0088] 实施例一
[0089] 在本实施例中，通过调节所述连接阻抗的阻抗值，从而调整所述第一磁性元件与 第二磁性元件的禪合关系。
[0090] 实施例二
[0091] 在本实施例中，通过调节所述第一磁性元件外加绕组的电感量与所述第一磁性元 件的互感量、调节所述第二磁性元件外加绕组的电感量与所述二磁性元件的互感量，从而 调整所述第一磁性元件与第二磁性元件的禪合关系。
[0092] 实施例S
[0093] 在本实施例中，通过调节所述连接阻抗的阻抗值、调节所述第一磁性元件外加绕 组的电感量与所述第一磁性元件的互感量W及调节所述第二磁性元件外加绕组的电感量 与所述二磁性元件的互感量，从而调整所述第一磁性元件与第二磁性元件的禪合关系。
[0094] 进一步的，在实施例一至=中，若需多个分立磁件形成禪合和控制，可通过控制两 两之间的禪合，即可实现多个分立磁件的禪合与控制。
[00M]为了让本领域技术人员进一步了解本发明法提出的一种分立磁性元件禪合电路 及其控制方法，下面结合具体实例进行说明。
[0096] W下W两个独立电感之间的禪合为例，对本发明进行说明。
[0097] 设:第一磁性元件自感量为^、第二磁性元件自感量为L2，两个绕组的等效近场禪 合为Mi2,如图4所示。
[009引 贝 Ij:
[0099] (1)
[0100]
[0101] (2)
[0102]
[0103] (3)
[0104] 设在两独立电感元件外加绕组及阻抗，如图5所示，其中：Li，L2分别为两独立电感 的自感量;且所述第一磁性元件与所述第二磁性元件相互两独立;Lla为第一磁性元件外加 绕组的自感，该外加绕组称为第一外加绕组;L2a为第二磁性元件外加绕组的自感，该外加绕 组称为第二外加绕组;Ml, M2分别为第一磁性元件和第一外加绕组，第二磁性元件和第二外 加绕组间的互感，虚线的端部对应两个禪合电感的同名端。Zl2为外加阻抗。
[0105] 对图5中四个电感进行解禪。为了解禪合方便，可将外加绕组的一端接到第一磁性 元件和第二磁性元件上(不影响解禪结果），如图6~图7所示。根据解禪基本原理可得其解 禪等效电路图如图8所示。
[0106] rh 励 (4)
[010 引
[0109]
[0110] 由式(5)可知，通过改变化，12山3心3或212即可实现化2的调节。
[0111] 为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的方法，下面结合具体实施例进 行说明。
[011^ 1).当Zu = Lo时，式(5)可化为：
[0113]
炸，
[0114] 则Mi2为纯电感，通过调节Lla，L2a，化，M2，L0可实现Mi2的调节。当b = L2=12.2地，Lla = 4.56地，L2a = 0.5：3地，Ml = 7.化H，M2 = 2.28地时，Ml2随Lo变化的曲线如图9所示。当Lo = 0 时，Mi2最大；当Lo增大时，Mi2减小;Lo无穷大时，Mi2 = 0山和L2无禪合。
[011引实际应用中，可根据具体的需求来选择。心山3心3^，12及^的值。
[0116] 2).当 Zi2 = R 时，式（5)可化为：
[0117]
巧
[0118] 式(7)可化简为：
[0119] (8)
[0120]
[0121]
[0122] 则Mi2不为纯电感，互感的实部随频率变化虚部也为随频率变化通过调节^a, L2a， Mi，M2, Lo实现对Mi2的调节。
[012；3]当b = L2 = 12.2地，Lia = 4.56地，L2a = 0.5：3地，Mi = 7.化H，M2 = 2.2祉H时，Leq，Req在 f =150曲Z时随R变化的曲线如图10所示。当R=O时，Leq最大，Req = O;当R增大时，Leq减小，Req 先减小后增大;R无穷大时,Leq = O且Req = O ,^和1^2无禪合。
[0124] 当b = L2 = 12.2地，Lia = 4.56地，L2a = 0.5：3地，Mi = 7.化H，M2 = 2.2祉H时，Leq，Req在 R = 7.2 Q时随f变化的曲线如图11所示。当f = 150kHz时，Leq最小，Req绝对值最小；当f增大 时，Leq增大，Req绝对值增大。
[0125] 当f无穷大时：
[0126] 3).当 Zi2 = C 时，巧（5)nj 化刃：
供
[0127]
[0128] 当レ = L2 = 12.2地，Lla = 4.56地，L2a = 0.5：3地，Ml = 7.化H，M2 = 2.28地时，Ml2在f = 150k化时随C变化的曲线如图12所示。当C接近于加寸，Mi2 - 0，Li，L2无禪合;随着C的增大，Mi2 为负值且绝对值逐渐增大至到无穷大；当C继续增大，Mi2为正且为无穷大然后逐渐减小，当C 为无穷大时:Mi2=化? M2/aia+L2a)。
[0129] 当レ = L2 = 12.2地，Lla = 4.56地，L2a = 0.5：3地，Ml = 7.化H，M2 = 2.2祉H时，Ml2在C = IiiF时随C变化的曲线如图13所示。当f= 150曲Z时，Mi2最大；随着f的增大，Mi2逐渐减小；当f 为无穷大时，Mi2最小，Mi2 =化? M2/(Lla+L2a)。
[0130] 4).当 Zi2 = 0 时，式(5)可化为：
[0131]
(10?
[0132] 记所述第一磁性元件和所述第一外加绕组的禪合系数为ki;所述第二磁性元件和 所述第外力n绕巧的规合累擲九k,.面Il，
[0133] (i i)
[0134] 通过调节禪合系数ki，k2及 Lla，L2a的值，即得到
臣围内的所有感值。
[01对 5).Zi2可W是电感Lo,电容C和电阻R的任意组合，Zi2为电感Lo和电容C的组合，电感 Lo和电阻R的组合，电容C和电阻R的组合或电感Lo、电容C和电阻R的组合，通过调节Lia, L2a， 11，12,212实现对化2的调节。
[0136] 进一步的，在本实施例中，对两个分立磁性元件施加外绕组、外阻抗，外绕组可采 用单应线圈链过磁性元件来形成，也可采用多应线圈链过磁性元件来形成，磁性元件与外 绕组的禪合方向包含正向禪合与反向禪合两种，两磁性元件可根据需要自行选择外绕组的 类型与禪合方向。具体实施包括但不仅限于附图14至图55所示，其中，如图14-18为两个独 立电感施加外绕组，如图18-21为电感与共模电感施加外绕组，如图22-27为两个独立共模 电感施加外绕组，如图28-35为电感与变压器绕组施加外绕组，如图36-43为共模电感与变 压器绕组施加外绕组，如图44-55为两个变压器各自的各个绕组施加外绕组。多个分立磁件 的禪合可通过将两个分立磁件的禪合扩展而得到。
[0137] W上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作 用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种分立磁性元件耦合电路，其特征在于，包括相互独立的第一磁性元件以及第二 磁性元件;所述第一磁性元件上以及所述第二磁性元件上分别绕制有外加绕组，所述外加 绕组通过一连接阻抗形成回路，从而建立所述第一磁性元件与所述第二磁性元件的耦合关 系。2. -种基于权利要求1所述的一种分立磁性元件耦合电路的控制方法，其特征在于，通 过调节所述连接阻抗的阻抗值，从而调整所述第一磁性元件与所述第二磁性元件的耦合关 系。3. 根据权利要求2所述的一种分立磁性元件耦合控制方法，其特征在于，所述连接阻抗 为电感和电容的组合，电感和电阻的组合，电容和电阻的组合或电感、电容和电阻的组合。4. 根据权利要求2所述的一种分立磁性元件耦合控制方法，其特征在于，通过对多个相 互独立的磁性元件中两两磁性元件之间的耦合与控制，实现多个磁性元件的耦合与控制。5. -种基于权利要求1所述的一种分立磁性元件耦合电路的控制方法，其特征在于，通 过调节所述第一磁性元件外加绕组的电感量与所述第一磁性元件的互感量、调节所述第二 磁性元件外加绕组的电感量与所述二磁性元件的互感量，从而调整所述第一磁性元件与第 二磁性元件的耦合关系。6. 根据权利要求5所述的一种分立磁性元件耦合控制方法，其特征在于，所述连接阻抗 为电感和电容的组合，电感和电阻的组合，电容和电阻的组合或电感、电容和电阻的组合。7. 根据权利要求5所述的一种分立磁性元件耦合控制方法，其特征在于，通过对多个相 互独立的磁性元件中两两磁性元件之间的耦合与控制，实现多个磁性元件的耦合与控制。8. -种基于权利要求1所述的一种分立磁性元件耦合电路的控制方法，其特征在于，通 过调节所述连接阻抗的阻抗值、调节所述第一磁性元件外加绕组的电感量与所述第一磁性 元件的互感量以及调节所述第二磁性元件外加绕组的电感量与所述二磁性元件的互感量， 从而调整所述第一磁性元件与第二磁性元件的耦合关系。9. 根据权利要求8所述的一种分立磁性元件耦合控制方法，其特征在于，所述连接阻抗 为电感和电容的组合，电感和电阻的组合，电容和电阻的组合或电感、电容和电阻的组合。10. 根据权利要求8所述的一种分立磁性元件耦合控制方法，其特征在于，通过对多个 相互独立的磁性元件中两两磁性元件之间的耦合与控制，实现多个磁性元件的耦合与控 制。
【文档编号】H01F38/14GK105845405SQ201610387737
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】陈庆彬, 何谋, 陈为
【申请人】福州大学